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15 luglio 2015

Catalizzatori eterogenei per riduzione gas serra metano

Catalizzatori eterogenei

Università degli Studi di Trieste – Riduzione gas serra metano: fotografato in azione un importante catalizzatore

Catalizzatori eterogenei

Catalizzatori eterogenei

Fotografato “in azione” un importante catalizzatore utilizzato per abbattere le emissioni inquinanti di metano. L’osservazione del suo comportamento, grazie a un microscopio avanzatissimo, apre la strada per il miglioramento di uno specifico catalizzatore che consentirà di ridurre le emissioni in atmosfera del pericoloso gas serra metano.

I catalizzatori svolgono un ruolo indispensabile nella vita di ogni giorno. Rendono possibili o economicamente convenienti reazioni chimiche altrimenti irrealizzabili. Consentono di sintetizzare farmaci, di produrre materiali plastici, di ottenere bio-materiali e bio-combustibili, di limitare le emissioni inquinanti.

I catalizzatori eterogenei sono materiali fatti da unità di dimensioni ridotte (anche di solo pochi miliardesimi di metro) che richiedono grandi capacità sia per la loro preparazione che per la loro caratterizzazione. Progettarli e capirne il funzionamento non è quindi facile, ma da oggi lo sarà sempre più.

Lo studio dell’Università di Trieste sui Catalizzatori Eterogenei

Lo studio recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications, che vede coinvolto il Prof. Paolo Fornasiero dell’Università degli Studi di Trieste, dell’unità Associata di Trieste dell’istituto ICCOM-CNR di Trieste e del consorzio INSTM, dimostra come sia possibile fotografare con risoluzione atomica un catalizzatore mentre svolge il “suo lavoro”. Ciò vuol dire poter osservare che cosa fanno gli atomi di un catalizzatore eterogeneo a elevate temperature e in presenza di gas reattivi. Un successo notevole, ottenuto grazie a strumentazione estremamente sofisticata a disposizione di pochissimi gruppi internazionali, quale quello dell’University of Michigan coordinato dai Professori George W. Graham & Xiaoqing Pan.

Sofisticati microscopi a trasmissione elettronica sono stati utilizzati per capire come si comporta un catalizzatore sviluppato alcuni anni fa sempre a Trieste dal gruppo del Professor Fornasiero in collaborazione con il gruppo del Professor Ray Gorte University of Pennsylvania: nel 2012 il gruppo del Professor Fornasiero aveva scoperto che catalizzatori nanostrutturati di tipo core-shell possedevano eccezionali attività nei confronti dell’abbattimento catalitico del metano, pubblicando la scoperta su Science 2012, 337, 713 e nel brevetto US-2014-0106260-A1.

Lo studio ora pubblicato su Nature Communications dimostra le potenzialità di un nuovo microscopio a trasmissione elettronica per studiare catalizzatori in condizioni operative (alte temperature e atmosfera gassosa) e apre la strada per il miglioramento di uno specifico catalizzatore che consentirà di ridurre le emissioni in atmosfera del pericoloso gas serra metano.

Il Professor Fornasiero sui Catalizzatori Eterogenei

Il Professor Fornasiero spiega che «si trattava di capire come un innovativo catalizzatore nano strutturato a base di palladio e ossido di cerio fosse in grado di convertire efficacemente il pericoloso gas serra metano, emesso nei gas di scarico di autoveicoli o caldaie, in meno pericolosi composti. Si è cosi dimostrato che il catalizzatore si modifica continuamente nel tempo. Esso è “vivo” e a differenza di quanto si possa comunemente pensare, non rimane inalterato nel tempo, ma evolve, pur mantenendo elevatissime attività catalitiche». «L’attuale studio non solo dimostra le potenzialità di tali strumentazioni – continua Fornasiero – ma getta nuove prospettive sulla vera struttura del catalizzatore. In particolare, si è visto come a elevate temperature, “nuvole di atomi” si muovono andando a formare nuove e inaspettate fasi, caratterizzate da dimensioni estremamente ridotte (pochi miliardesimi di metro) e sorprendenti per le elevate temperature di reazione. A temperature dell’ordine di 500-600°C, infatti, ci si aspetterebbe l’eventuale formazione di grossi blocchi, simili a “sassi fusi”, poco attivi dal punto di vista catalitico. Invece non è cosi, grazie alla peculiare interazione di alcuni componenti del materiale, grazie proprio al modo con cui sono assemblati».

Importanti saranno le ricadute pratiche per lo sviluppo di nuovi materiali catalitici in grado di ridurre le emissioni di metano in atmosfera da autoveicoli, caldaie domestiche e centrali termiche, ma più in generale per lo sviluppo di catalizzatori importanti per l’industria e per il controllo ambientale.

Direttamente coinvolto nello studio è anche il prof. Matteo Cargnello della prestigiosa Stanford University, che, alcuni anni fa, ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo di tali catalizzatori durante il suo periodo di dottorato di ricerca, sotto la supervisione del Prof. Fornasiero.

L’importante ricerca vede coinvolte oltre alle unità italiane, quattro americane tra le prime Università al mondo, presenti in cima alle principali classifiche internazionali, e in particolare l’University of Michigan, l’University of California—Irvine, l’University of Pennsylvania e la Stanford University. Ciò a sottolineare l’importanza degli investimenti in grande strumentazione d’avanguardia, attualmente carenti in Italia ma evidenzia anche l’eccellenza italiana che riesce ancora a contribuire con idee brillanti allo sviluppo del sapere, con importanti ricadute nel industriali e ambientali.


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