Misure in laboratorio: il rame ricco di ossigeno resta quasi metallico

Una superficie di rame può essere ricoperta di ossigeno mentre i suoi atomi di rame restano, dal punto di vista elettronico, vicini allo stato metallico. Alla BESSY II, un team guidato dal professor Alexander Föhlisch ha misurato l’ossido superficiale «29» e ha rilevato per i suoi atomi di rame uno stato di ossidazione intorno a 0,3, un risultato molto più vicino a quello del rame metallico che a quello degli ossidi convenzionali del rame.

Quando è esposto all’ossigeno, il rame sviluppa gradualmente uno strato di ossido, fino a produrre la patina verde visibile sui vecchi tetti di rame. Prima che si formi Cu₂O, sulla superficie possono svilupparsi strutture rame-ossigeno più complesse. Il problema non riguardava la presenza dell’ossigeno, ma lo stato del rame: la spettroscopia convenzionale faticava a determinare quanto fossero ossidati quegli atomi. Il team di Föhlisch ha utilizzato la spettroscopia di coincidenza fotoelettronica Auger, o APECS, per misurare direttamente gli stati chimici.

Questa distinzione è importante per la catalisi. Il rame viene studiato per la riduzione dell’anidride carbonica, la sintesi del metanolo e l’ossidazione, ma i siti attivi più importanti potrebbero trovarsi tra due categorie familiari: il rame puro e i composti completamente ossidati come CuO e Cu₂O. Le superfici parzialmente ossidate possono avere proprietà elettroniche diverse, modificando il modo in cui le molecole interagiscono con esse. La nuova misurazione potrebbe aiutare i ricercatori a progettare catalizzatori di rame con attività e selettività più controllate, invece di considerare ogni superficie semplicemente come metallica o ossidata.

Lo stesso livello di dettaglio riguarda la ricerca sulla corrosione. Il rame viene preso in considerazione per contenitori destinati a isolare il combustibile nucleare esaurito in alcuni sistemi proposti di smaltimento geologico, anche per la sua resistenza alla corrosione. Gli strati di ossido protettivi che si formano sul metallo sono quindi fondamentali per capire come potrebbero comportarsi contenitori di questo tipo nell’arco di lunghi periodi. Mappare la fase iniziale dell’ossidazione potrebbe migliorare i modelli utilizzati per valutarne il comportamento.

In termini pratici, i ricercatori che lavorano sui catalizzatori dispongono di uno stato chimico più preciso da considerare nella progettazione delle superfici, mentre gli studiosi della corrosione hanno un punto di partenza più accurato per prevedere l’evoluzione del rame. Il risultato resta una misurazione di laboratorio, pubblicata sul Journal of the American Chemical Society: lo studio descrive potenziali applicazioni, non una dimostrazione con un catalizzatore né un test a lungo termine su un contenitore.