Una nuova comprensione della catalisi su scala atomica potrebbe sbloccare enormi risparmi energetici

In un anticipo che considerano una svolta nella ricerca chimica computazionale, gli ingegneri chimici dell’Università del Wisconsin-Madison hanno sviluppato un modello di come funzionano le reazioni catalitiche su scala atomica. Questa comprensione potrebbe consentire a ingegneri e chimici di sviluppare catalizzatori più efficienti e mettere a punto i processi industriali, potenzialmente con enormi risparmi energetici, dato che il 90% dei prodotti che incontriamo nella nostra vita sono prodotti, almeno in parte, tramite catalisi.

I materiali catalizzatori accelerano le reazioni chimiche senza subire modifiche. Sono fondamentali per la raffinazione dei prodotti petroliferi e per la produzione di prodotti farmaceutici, plastica, additivi alimentari, fertilizzanti, combustibili verdi, prodotti chimici industriali e molto altro.

Scienziati e ingegneri hanno trascorso decenni a mettere a punto le reazioni catalitiche, ma poiché attualmente è impossibile osservare direttamente tali reazioni alle temperature e pressioni estreme spesso coinvolte nella catalisi su scala industriale, non sapevano esattamente cosa sta avvenendo sul nano e scale atomiche. Questa nuova ricerca aiuta a svelare quel mistero con conseguenze potenzialmente importanti per l’industria.

Infatti, solo tre reazioni catalitiche — il reforming vapore-metano per produrre idrogeno, la sintesi dell’ammoniaca per produrre fertilizzanti e la sintesi del metanolo — utilizzano quasi il 10% dell’energia mondiale.

“Se riduci le temperature a cui devi far funzionare queste reazioni solo di pochi gradi, ci sarà un’enorme diminuzione della domanda di energia che dobbiamo affrontare come umanità oggi”, afferma Manos Mavrikakis, professore di ingegneria chimica e biologica presso UW-Madison che ha guidato la ricerca. “Diminuendo il fabbisogno energetico per eseguire tutti questi processi, si riduce anche il loro impatto ambientale”.

Mavrikakis e i ricercatori post-dottorato Lang Xu e Konstantinos G. Papanikolaou insieme alla studentessa laureata Lisa Je hanno pubblicato la notizia del loro progresso nel numero del 7 aprile 2023 della rivista Science.

Nella loro ricerca, gli ingegneri UW-Madison sviluppano e utilizzano potenti tecniche di modellazione per simulare reazioni catalitiche su scala atomica. Per questo studio, hanno esaminato le reazioni che coinvolgono catalizzatori di metalli di transizione in forma di nanoparticelle, che includono elementi come platino, palladio, rodio, rame, nichel e altri importanti nell’industria e nell’energia verde.

Secondo l’attuale modello di catalisi a superficie rigida, gli atomi strettamente imballati dei catalizzatori di metalli di transizione forniscono una superficie 2D a cui i reagenti chimici aderiscono e partecipano alle reazioni. Quando vengono applicati abbastanza pressione e calore o elettricità, i legami tra gli atomi nei reagenti chimici si rompono, consentendo ai frammenti di ricombinarsi in nuovi prodotti chimici.

“L’ipotesi prevalente è che questi atomi di metallo siano fortemente legati l’uno all’altro e forniscano semplicemente ‘punti di atterraggio’ per i reagenti. Quello che tutti hanno ipotizzato è che i legami metallo-metallo rimangano intatti durante le reazioni che catalizzano”, afferma Mavrikakis. “Quindi qui, per la prima volta, ci siamo posti la domanda: ‘L’energia per rompere i legami nei reagenti potrebbe essere di quantità simile all’energia necessaria per rompere i legami all’interno del catalizzatore?'”

Secondo il modello di Mavrikakis, la risposta è sì. L’energia fornita per molti processi catalitici è sufficiente per rompere i legami e consentire ai singoli atomi di metallo (noti come adatomi) di staccarsi e iniziare a viaggiare sulla superficie del catalizzatore. Questi adatomi si combinano in cluster, che fungono da siti sul catalizzatore dove le reazioni chimiche possono avvenire molto più facilmente rispetto alla superficie rigida originale del catalizzatore.

Utilizzando una serie di calcoli speciali, il team ha esaminato le interazioni importanti dal punto di vista industriale di otto catalizzatori di metalli di transizione e 18 reagenti, identificando i livelli di energia e le temperature che potrebbero formare tali piccoli ammassi metallici, nonché il numero di atomi in ciascun ammasso, che possono anche influenzare notevolmente la velocità di reazione.

I loro collaboratori sperimentali presso l’Università della California, Berkeley, hanno utilizzato la microscopia a tunneling a scansione risolta atomicamente per esaminare l’adsorbimento del monossido di carbonio sul nichel (111), una forma stabile e cristallina di nichel utile nella catalisi. I loro esperimenti hanno confermato che i modelli che hanno mostrato vari difetti nella struttura del catalizzatore possono anche influenzare il modo in cui i singoli atomi di metallo si staccano, così come il modo in cui si formano i siti di reazione.

Mavrikakis afferma che il nuovo quadro sta sfidando le fondamenta di come i ricercatori comprendono la catalisi e come avviene. Potrebbe applicarsi anche ad altri catalizzatori non metallici, che esaminerà in lavori futuri. È anche rilevante per comprendere altri fenomeni importanti, tra cui la corrosione e la tribologia, o l’interazione di superfici in movimento.

“Stiamo rivisitando alcuni presupposti molto consolidati per capire come funzionano i catalizzatori e, più in generale, come le molecole interagiscono con i solidi”, afferma Mavrikakis.

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Manos Mavrikakis è Ernest Micek Distinguished Chair, James A. Dumesic Professor e Vilas Distinguished Achievement Professor in Ingegneria Chimica e Biologica presso l’Università del Wisconsin-Madison. Altri autori includono Barbara AJ Lechner dell’Università tecnica di Monaco, e Gabor A. Somorjai e Miquel Salmeron del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell’Università della California, Berkeley.

Gli autori riconoscono il supporto del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Scienze Energetiche di Base, Divisione di Scienze Chimiche, Programma di Scienze della Catalisi, Grant DE-FG02-05ER15731; l’Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering, del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti con il contratto n. DE-AC02-05CH11231, attraverso il programma Structure and Dynamics of Materials Interfaces (FWP KC31SM).

Mavrikakis riconosce il sostegno finanziario del Miller Institute della UC Berkeley attraverso una Visiting Miller Professorship presso il Dipartimento di Chimica.

Il team ha utilizzato anche il National Energy Research Scientific Computing Center, una struttura per utenti dell’Office of Science del DOE supportata dall’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti nell’ambito del contratto n. DE-AC02-05CH11231 utilizzando il premio NERSC BES-ERCAP0022773.

Parte del lavoro computazionale è stato svolto utilizzando risorse di supercalcolo presso il Center for Nanoscale Materials, una struttura per utenti dell’Office of Science del DOE situata presso l’Argonne National Laboratory, supportata dal contratto DOE DE-AC02-06CH11357.

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Fonte: Università del Wisconsin-Madison. “La nuova comprensione della catalisi su scala atomica potrebbe sbloccare enormi risparmi energetici”. ScienceDaily. ScienceDaily, 6 aprile 2023. <www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230406152650.htm>.