Un nuovo metodo di imaging mostra dove lavorano i catalizzatori, in laboratorio

Per decenni, misurare un catalizzatore significava calcolarne una media. Le misure convenzionali calcolano la media dell'attività di molte particelle di catalizzatore alla volta, il che nasconde le differenze locali che potrebbero spiegare perché un punto funziona e un altro no. Il team del College of Design and Engineering della National University of Singapore ha messo a punto un modo per vedere queste differenze. Il metodo, chiamato DELINE, segue i singoli eventi di reazione sull'intera superficie di un catalizzatore mentre questo è in funzione.

Molte reazioni catalitiche non emettono luce, quindi non possono essere osservate al microscopio. DELINE aggira il problema collegando la reazione studiata a una reazione successiva molto più rapida, che produce un segnale fluorescente. Il team lo ha applicato a sottili lamine d'oro mentre l'acqua si scindeva sul metallo: l'acqua rilascia idrogeno, che può poi formare idrogeno gassoso, e produce anche ioni idrossido. Una molecola sonda reagisce con questi ioni idrossido e si illumina, quindi ogni punto luminoso registra un evento. Esperimenti di controllo hanno confermato che la sonda non alterava l'attività catalitica dell'oro. Su 39 lamine d'oro e 195 regioni superficiali, i bordi e le superfici laterali erano in genere più attivi delle facce ampie e piane, sebbene l'attività variasse anche all'interno di tali facce.

Il risultato centrale è un compromesso. Variando la tensione applicata, i ricercatori hanno misurato quanto la reazione accelerava in ciascuna regione e hanno stimato una velocità di base all'equilibrio. Le regioni più sensibili alla tensione tendevano ad avere una velocità di base più bassa, una relazione che il team chiama compensazione cinetica. Simulazioni al computer e ulteriori immagini hanno indicato gli ioni sodio presenti nel liquido circostante, che si accumulano in modo non uniforme vicino all'oro. Questo accumulo modifica le molecole d'acqua vicine e rende la reazione più sensibile alla tensione, mentre affolla la superficie e rallenta la velocità di base. «Sapere quali parti di un catalizzatore sono attive è solo il punto di partenza», ha dichiarato l'assistant professor Mao Xianwen, che ha guidato la ricerca. «DELINE ci permette di ingrandire queste differenze».

Lo stesso metodo è stato applicato a lamine di rame durante la scissione dell'acqua e la riduzione dei nitrati, una reazione che converte i nitrati in altri composti dell'azoto. Sul rame, le facce ampie e piane erano più attive dei bordi, l'opposto del quadro osservato sull'oro. Il team ha inoltre utilizzato le sue mappe di reazione per modellare lamine d'oro cave con bordi di larghezza diversa: allargare il bordo poteva aumentare o ridurre l'attività, a seconda della tensione. Per un produttore di idrogeno, questo conta quando la produzione deve aumentare. Un catalizzatore più reattivo alla tensione potrebbe richiedere un aumento di tensione minore per accelerare, quindi la sua sensibilità conta tanto quanto la sua attività di base. Per i ricercatori, il vantaggio è un modo per scegliere forme di catalizzatori adatte alle condizioni in cui un dispositivo funzionerà realmente, e i ricercatori affermano che l'approccio potrebbe estendersi ad altri elettrocatalizzatori e reazioni. Il lavoro finora svolto è una ricerca di laboratorio su lamine metalliche, e lo studio non indica alcuna tempistica per un uso industriale.