L'ordine o il disordine determinano la catalisi?

Quasi nessun processo chimico oggi avviene senza catalisi. La stragrande maggioranza di tutti i processi di produzione e trasformazione nell'industria chimica avviene in modo catalitico. Il catalizzatore è una sostanza la cui partecipazione rende possibile o economica la reazione chimica. Un processo catalitico importante è la conversione dell'ossigeno dell'aria in acqua. Questa reazione viene impiegata, tra le altre cose, nella sensoristica o anche nella tecnologia della corrosione. Di particolare importanza ha soprattutto per la tecnologia di accumulo e conversione energetica chimica nelle batterie e celle a combustibile. I catalizzatori più potenti per questa reazione sono leghe dell'elemento costoso e raro, il platino. Da anni si sa che le leghe di platino, le cui superfici mantengono un ordine strutturale esattamente definito degli atomi, rappresentano catalizzatori molto attivi.

«Per sorprendere la scienza, tuttavia, le ricerche degli ultimi anni dimostrano anche che varianti strutturalmente completamente disordinate di tali leghe di platino, create dall'usura e dall'invecchiamento dei catalizzatori, mostrano una attività catalitica altrettanto elevata», spiega il Prof. Dr. Peter Strasser, responsabile del dipartimento di «Elettrochimica e Materiali» presso il TU di Berlino. «Tuttavia, queste due osservazioni sembravano incompatibili.»

Ora, il team del TU di Berlino guidato da Peter Strasser, in stretta collaborazione con colleghi francesi dell'Università Grenoble Alpes e del Centro nazionale di ricerca scientifica (CNRS) locale, con colleghi svizzeri dell'ETH Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer, nonché con colleghi tedeschi del TU di Dresda, è riuscito a sviluppare una descrizione più completa di questi due tipi di catalizzatori e delle loro reazioni, capace di chiarire le contraddizioni.

Un ruolo importante è svolto dalla distorsione della struttura superficiale (Distortion), un parametro strutturale che descrive il disordine nell'organizzazione degli atomi sulla superficie del platino e include entrambi i tipi di catalizzatori. La disposizione strettamente uniforme degli atomi metallici fornisce le migliori condizioni per un'alta reattività catalitica. Tuttavia, il disordine strutturale offre la più ampia diversità atomica sulla superficie e quindi molte diverse disposizioni atomiche, alcune delle quali possono essere anch'esse molto attive. Questo porta, in totale, a un'alta reattività catalitica. Si potrebbe paragonare questo a un tiro a canestro: un giocatore professionista ha un tentativo e segna. Ciò corrisponde a un piccolo numero di schemi definiti degli atomi sulla superficie del catalizzatore. In confronto, un'intera classe di scuola, in cui tutti i bambini tirano contemporaneamente, ha statisticamente una probabilità simile di segnare almeno un canestro come il professionista con un singolo tiro. Questo corrisponde a un grande numero di schemi diversi degli atomi sulla superficie del catalizzatore.

Gli esperimenti pubblicati ora su Nature Materials dimostrano: un aumento della distorsione superficiale è la chiave per comprendere i processi di invecchiamento di catalizzatori inizialmente ben ordinati e attivi, che si trasformano in catalizzatori disordinati ma ancora attivi.

Infine, la descrizione unificata dei due tipi di catalizzatori non solo permette una comprensione più profonda del funzionamento dei catalizzatori noti, ma rappresenta anche una possibilità di prevedere nuovi catalizzatori ancora più performanti per le future tecnologie di accumulo e conversione energetica.

Raphaël Chattot, Olivier Le Bacq, Vera Beermann, Stefanie Kühl, Juan Herranz, Sebastian Henning, Laura Kühn, Tristan Asset, Laure Gütaz, Gilles Renou, Jakub Drnec, Pierre Bordet, Alain Pasturel, Alexander Eychmüller, Thomas J. Schmidt, Peter Strasser, Laetitia Dubau, Frédéric Maillard
Distorsione superficiale come concetto unificante e descrittore nella elettrocatalisi della reazione di riduzione dell'ossigeno
Nature Materials. 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0133-2