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Catalisi a base di nanomateriali

La nanotecnologia ha un impatto sempre più profondo in fatto di ricerca e sviluppo di energia pulita, il che spazia dalla produzione di combustibile a idrogeno, alla combustione pulita. I ricercatori dell’UE hanno concentrato i propri sforzi sul miglioramento delle prestazioni e la stabilità dei materiali catalitici nanostrutturati.
Catalisi a base di nanomateriali
La ricerca di nuovi materiali catalitici nanostrutturati e il miglioramento di quelli convenzionali sono in gran parte dipesi da esperimenti costosi per prove ed errori. Di conseguenza, i catalizzatori vengono spesso caratterizzati solo in termini di reattività, selettività e stabilità.

Si conosce poco circa la struttura su scala atomica o sul principio di funzionamento dei catalizzatori. Il progetto NANO-DESIGN (Computation-driven rational design of MoSx-based desulphurization nanocatalysts), finanziato dall’UE, ha cercato di colmare questa lacuna con lo sviluppo di potenti strumenti di caratterizzazione dei catalizzatori.

Per studiare la catalisi a un livello fondamentale, i ricercatori si sono affidati a una metodologia computazionale allo stato dell’arte basata sulla teoria del funzionale della densità (density functional theory, DFT). Sono stati sviluppati e ottimizzati i modelli computazionali rappresentativi dei catalizzatori eterogenei composti da solfuro di molibdeno (MoSx).

Le immagini relative alla microscopia sintetica con scansione a effetto tunnel (scanning tunnelling microscopy, STM) sono state generate per tutti i modelli, e le energie di legame nucleo-elettrone sono state calcolate per i modelli selezionati. Il team NANO-DESIGN ha utilizzato questi dati per gettare nuova luce sulla STM sperimentale e sui dati della spettroscopia con fotoemissione a raggi X (XPS), relativi ai sistemi catalitici.

I ricercatori hanno scoperto che i siti attivi ai bordi degli strati MoSx sono di cruciale importanza per la comprensione e il miglioramento dei catalizzatori eterogenei. Inoltre, la loro evoluzione ha bisogno di essere attentamente monitorata attraverso esperimenti XPS eseguiti in condizioni realistiche.

I membri del progetto hanno valutato l’idoneità dei catalizzatori MoSx per la desolforazione dei gas di combustione mediante calcoli DFT. Le nanoparticelle di MoSx hanno proprietà chimiche non uniformi ai bordi, mentre la loro reattività cambia a seconda della distanza rispetto agli angoli delle nanoparticelle.

I risultati del progetto NANO-DESIGN sottolineano l’importanza dei siti attivi riguardo alle prestazioni dei catalizzatori a base di MoSx, e la necessità di modelli di nanoparticelle espliciti, nelle simulazioni di catalisi. In maniera ancora più importante, i nuovi strumenti di caratterizzazione dei catalizzatori promettono di aprire la strada a una progettazione di catalizzatori più razionale per la desolforazione dei gas di scarico.

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Keywords

Nanotecnologia, NANO-DESIGN, modelli computazionali, teoria del funzionale della densità, catalizzatori eterogenei