Comportamento modello: come catalizzatori ingegnerizzati con precisione possono contribuire a combattere i cambiamenti climatici
Il passaggio all’energia rinnovabile è un passo fondamentale per raggiungere gli obiettivi climatici a lungo termine dell’UE. Eppure gli idrocarburi liquidi, tipicamente derivati da combustibili fossili, rimangono essenziali per il trasporto marittimo e aereo e costituiscono un’importante materia prima per fertilizzanti, prodotti farmaceutici e materie plastiche. Utilizzare l’elettricità proveniente da fonti rinnovabili per produrre idrogeno verde, e quindi combinarlo con anidride carbonica per produrre idrocarburi liquidi, rappresenta una soluzione. Un’altra possibilità è utilizzare direttamente l’elettricità per convertire l’anidride carbonica e l’acqua in idrocarburi. La capacità di fare tutto questo su scala industriale aiuterà anche il trasporto e la conservazione dell’elettricità rinnovabile. Il progetto 3D Model Catalysts (3MC), finanziato dall’UE, ha esplorato un sistema per creare nuovi catalizzatori in grado di abilitare tali processi. «Avremo in qualche modo bisogno di combustibili liquidi ed elementi costitutivi chimici, anche se non vogliamo più derivarli da risorse fossili», spiega Petra de Jongh, coordinatrice del progetto 3MC. «Per apportare un cambiamento a queste nuove tecniche, dobbiamo progettare catalizzatori nuovi ed efficienti che riducano al minimo i materiali, i costi e l’elettricità richiesti», afferma de Jongh, professoressa di Catalizzatori e materiali energetici del Debye Institute, presso l’Università di Utrecht nei Paesi Bassi. «Questo consente l’intero processo».
Catalizzatori modello
Molti catalizzatori sono costituiti da una polvere metallica fine, che viene poi legata a un substrato di ossido per renderli facili da maneggiare, quali i convertitori catalitici a base di platino che si trovano negli scarichi delle auto. Ma le particelle presenti in queste polveri sono in uno stato disordinato, che rende difficile comprendere come progettare un catalizzatore ottimale. Per risolvere questo problema, de Jongh e il suo team si sono prefissati di creare catalizzatori «modello» da nanoparticelle di rame e altri metalli incorporati in silice mesoporosa che fossero strettamente controllati nella loro struttura, composizione e geometria. «Questi avevano una struttura in 3D molto uniforme e ben definita», aggiunge de Jongh. «La fase attiva di questi catalizzatori è costituita dalle piccole nanoparticelle, quindi, oltre alla loro composizione, le dimensioni delle particelle influiscono notevolmente sulle loro prestazioni. Due, tre, quattro nanometri fanno una notevole differenza». De Jongh e il suo team hanno progettato una serie di catalizzatori per la conversione sia termica che elettrochimica della CO2, sulla base di parametri che hanno ipotizzato sarebbe utile modificare. Questi sono stati assemblati sinteticamente e quindi caratterizzati, con precisione atomica, per costruire un’idea chiara della struttura del catalizzatore.
Sperimentazione industriale
Alla fine i nuovi catalizzatori sono stati testati nel laboratorio di de Jongh, che dispone di diversi dispositivi di prova in grado di simulare le condizioni industriali. Ciò ha garantito che i nuovi catalizzatori potessero funzionare in scenari del mondo reale. «I catalizzatori devono essere testati ad alte temperature, alte pressioni e flussi idrodinamici, per settimane», spiega de Jongh. Il loro lavoro ha dimostrato che la metodologia era un modo estremamente robusto per generare la comprensione fondamentale e le regole di progettazione di base per nuovi catalizzatori. Quelli creati attraverso il progetto 3MC vengono ora esplorati per applicazioni nell’industria. «Abbiamo realizzato alcuni catalizzatori, con nuove distribuzioni geometriche e atomiche, che funzionano meglio di quelli convenzionali», osserva de Jongh. «Ad esempio, il controllo della distribuzione atomica dei due elementi in una nanoparticella può rendere un catalizzatore 50 volte più attivo con la stessa composizione». Il lavoro è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca. «Questo ha reso tutto possibile», afferma de Jongh. «Ci ha consentito di creare questo gruppo, il nostro team e di indagare su questo approccio. È fantastico vedere gruppi in tutto il mondo che ora seguono il nostro esempio».
Parole chiave
3MC, catalizzatori, sostanza chimica, clima, energia, modello, elettrochimica, conversione della CO2, geometrico, atomico
