Nanoparticelle sui nanogradini
Un gruppo di ricerca dello Iom-Cnr e della Sissa
ha creato un
materiale che mantiene stabile il catalizzatore “disperso”
e ne aumenta l’efficienza riducendo lo spreco. La ricerca è stata appena
pubblicata su Nature Communications
Le nuove tecnologie hanno 'fame' di catalizzatori efficienti e dai costi
contenuti. I materiali migliori sono costituiti da nanoparticelle, che devono le
loro proprietà proprio alle dimensioni ridotte. Le singole particelle di
catalizzatore però hanno la tendenza ad aggregarsi in particelle più grandi,
affievolendo la propria efficacia. Un gruppo di ricercatori dell’Istituto
officina dei materiali del Consiglio nazionale delle ricerche (Iom-Cnr), della
Scuola internazionale superiore di studi avanzati di Trieste (Sissa) e del
centro Democritos, con la collaborazione di altre istituzioni, ha creato un
materiale che mantiene stabile il catalizzatore 'disperso', aumentando così
l’efficienza del processo e diminuendo costi e sprechi. La ricerca è stata
appena pubblicata su Nature Communications.
Il platino è uno dei costosi metalli usati come catalizzatori nelle nuove
tecnologie che servono per i processi chimici industriali, le fonti di energia
rinnovabile, la riduzione dell’inquinamento e tanto altro ancora. In
particolare, viene usato per le celle a combustibile, dispositivi che
trasformano l’energia chimica in elettrica, senza passare attraverso la
combustione. La ricerca dimostra che l’efficienza maggiore si ottiene quando il
catalizzatore è disponibile in forma di nano-particelle (sotto la dimensione di
10-9 m). In parole povere, più il materiale è disperso e piccole sono le
particelle, più è disponibile per il processo di catalisi. Purtroppo, le leggi
della termodinamica spingono le particelle ad 'attaccarsi' le une alle altre
formando aggregati più grandi e questo è il motivo per cui il materiale con il
passar del tempo diventa più scadente. Come fare per mantenere la “nanopolvere”
massimamente dispersa?
Il gruppo di scienziati Iom-Cnr/Sissa, con la collaborazione dell’Univerzita
Karlova di Praga, ha studiato il modo di produrre granuli di platino così
piccoli da essere costituiti da un solo atomo e di mantenerli dispersi in
maniera stabile, sfruttando le proprietà del substrato sul quale poggiano. “Il
lavoro teorico ha dimostrato che le discontinuità del substrato chiamate step
(gradini), osservate negli esperimenti effettuati presso Sincrotrone Trieste,
tendono ad attirare le nanoparticelle e a disgregarle, facendo sì che vi restino
letteralmente attaccate in forma atomica”, spiega Stefano Fabris, ricercatore
Iom-Cnr/Sissa. “Le particelle incollate ai gradini non erano più visibili
nemmeno con il microscopio a risoluzione atomica”, spiega Nguyen-Dung Tran, uno
studente di PhD della Sissa. “Tuttavia, la loro presenza veniva rilevata dalla
spettroscopia: quindi erano presenti, ma non libere di muoversi e invisibili”.
“Le nostre simulazioni al computer hanno risolto questo dilemma, dimostrando che
le particelle sugli step si riducono a singoli atomi”, aggiunge Matteo Farnesi
Camellone Iom-Cnr, altro autore del lavoro.
“Se la superficie viene ingegnerizzata creando un gran numero di questi difetti,
allora la forza che àncora le particelle al substrato contrasta efficacemente
quella di aggregazione”, prosegue Fabris. Il
clavoro teorico, coordinato da Fabris, ha permesso di formulare un 'sistema
modello' al computer in grado di prevedere il comportamento del materiale. Le
previsioni del modello sono state confermate dalle misure sperimentali.
Materiali come questo possono essere utilizzati per gli elettrodi delle celle a
combustibile, con costi molto inferiori a quelli attuali.
“Ridurre la quantità di platino usata negli elettrodi delle celle a combustibile
è prioritario, non solo per ridurre i costi ma anche in una prospettiva di
sostenibilità ambientale, come indicano anche le recenti direttive europee”,
conclude Fabris. Il progetto europeo ChipCat, che ha finanziato questa ricerca,
è mirato proprio a questo scopo.