La catalisi al microscopio è più complessa del previsto, mostra un nuovo studio

6 giugno 2023

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dall'Università della Tecnologia di Vienna

I catalizzatori composti da minuscole particelle metalliche svolgono un ruolo importante in molti settori della tecnologia, dalle celle a combustibile alla produzione di combustibili sintetici per lo stoccaggio di energia. Il comportamento esatto dei catalizzatori dipende però da molti dettagli e la loro interazione è spesso difficile da comprendere. Anche quando si prepara due volte esattamente lo stesso catalizzatore, accade spesso che questi due differiscano in aspetti minimi e quindi si comportino chimicamente in modo molto diverso.

Alla TU Wien, gli scienziati cercano di identificare le ragioni di tali effetti immaginando le reazioni catalitiche che hanno luogo in varie posizioni su questi catalizzatori, applicando diverse tecniche di microscopia. Un tale approccio produce una comprensione affidabile e microscopicamente corretta dei processi catalitici.

In tal modo, è emerso che anche i sistemi catalitici relativamente “semplici” erano più complessi del previsto. Ad esempio, non è solo la dimensione delle particelle metalliche impiegate o la natura chimica del materiale di supporto a definire le proprietà catalitiche. Anche all’interno di una singola particella metallica possono prevalere scenari diversi su scala micrometrica. In combinazione con simulazioni numeriche, il comportamento di diversi catalizzatori potrebbe quindi essere spiegato e previsto correttamente.

"Investighiamo sulla combustione del possibile vettore energetico futuro, l'idrogeno con l'ossigeno, formando acqua pura, utilizzando particelle di rodio come catalizzatori", spiega il prof. Günther Rupprechter dell'Istituto di chimica dei materiali della TU Vienna. Diversi parametri svolgono un ruolo importante in questo processo: quanto sono grandi le singole particelle di rodio? A quale materiale di supporto si legano? A quale temperatura e a quale pressione dei reagenti avviene la reazione?

"Il catalizzatore è costituito da particelle di rodio supportate, ma non si comporta come un oggetto uniforme che può essere descritto da pochi semplici parametri, come spesso si è tentato in passato", sottolinea Günther Rupprechter. "Divenne presto chiaro che il comportamento catalitico varia fortemente nelle diverse posizioni del catalizzatore. Una data area su una data particella di rodio può essere cataliticamente attiva, mentre un'altra, a pochi micrometri di distanza, forse cataliticamente inattiva. E pochi minuti dopo, la situazione potrebbe anche essersi invertito."

Per gli esperimenti, il dottor Philipp Winkler, il primo autore dello studio pubblicato sulla rivista ACS Catalysis, ha preparato uno straordinario campione di catalizzatore, comprendente nove diversi catalizzatori con particelle metalliche di dimensioni diverse e materiali di supporto diversi. In un apparato dedicato, tutti i catalizzatori potrebbero quindi essere osservati e confrontati simultaneamente in un unico esperimento.

"Con i nostri microscopi, possiamo determinare se il catalizzatore è cataliticamente attivo, la sua composizione chimica e le proprietà elettroniche, e questo per ogni singolo punto del campione", afferma Winkler. "Al contrario, i metodi tradizionali misurano solitamente solo un valore medio per l'intero campione. Tuttavia, come abbiamo dimostrato, spesso questo non è di gran lunga sufficiente."

L'analisi chimica su scala microscopica ha dimostrato che la composizione del catalizzatore può variare localmente anche più del previsto: anche all'interno delle singole particelle metalliche sono state osservate forti differenze. "Gli atomi del materiale di supporto possono migrare sulle o nelle particelle, o addirittura formare leghe superficiali", afferma Rupprechter. "Ad un certo punto, non esiste più nemmeno un confine chiaro, ma piuttosto una transizione continua tra le particelle del catalizzatore e il materiale di supporto. È fondamentale considerare questo fatto, perché influenza anche l'attività chimica."