Roma – Un team di ricerca della School of Chemistry dell’Università di Nottingham, in collaborazione con l’Università di Birmingham e l’Università di Cardiff, ha sviluppato un nuovo materiale costituito da cluster di rutenio (Ru) di dimensioni nanometriche ancorati su carbonio grafitizzato. Questi nanocluster di Ru reagiscono con le molecole di ammoniaca, catalizzando la scissione dell’ammoniaca in idrogeno e azoto, un passaggio essenziale verso la produzione di idrogeno verde. Questa ricerca rivoluzionaria è pubblicata su Chemical Science, la rivista di punta della Royal Society of Chemistry.
Con la sua elevata densità di energia volumetrica, l’ammoniaca promette di essere un vettore energetico a zero emissioni di carbonio che potrebbe guidare una nuova economia sostenibile nel prossimo futuro. Trovare metodi rapidi ed efficienti dal punto di vista energetico per rompere l’ammoniaca in idrogeno (H ₂ ) e azoto (N ₂ ) su richiesta è essenziale. Mentre la disattivazione del catalizzatore è comune, è raro che un catalizzatore diventi più attivo con l’uso. Pertanto, comprendere i meccanismi a livello atomico alla base dei cambiamenti nell’attività del catalizzatore è fondamentale per progettare la prossima generazione di catalizzatori eterogenei.
Il dott. Jesum Alves Fernandes, professore associato presso la School of Chemistry dell’Università di Nottingham e co-leader del team di ricerca, ha spiegato: “I catalizzatori tradizionali sono costituiti da nanoparticelle, con la maggior parte degli atomi inaccessibili per le reazioni. Il nostro approccio inizia con singoli atomi che si autoassemblano in cluster di una dimensione desiderata. Pertanto, possiamo interrompere la crescita dei cluster quando le loro impronte raggiungono 2-3 nm quadrati, assicurando che la maggior parte degli atomi rimanga sulla superficie e disponibile per le reazioni chimiche. In questo lavoro, abbiamo sfruttato questo approccio per far crescere nanocluster di rutenio da atomi direttamente in un supporto di carbonio”.
I ricercatori hanno utilizzato lo sputtering magnetron per generare un flusso di atomi metallici per la costruzione del catalizzatore. Questa tecnica senza solventi e reagenti consente la fabbricazione di un catalizzatore pulito e altamente attivo. Massimizzando l’area superficiale del catalizzatore, questo metodo garantisce l’uso più efficiente di elementi rari come il rutenio (Ru).
Il dott. Yifan Chen, ricercatore presso la School of Chemistry dell’Università di Nottingham, ha affermato: “Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che l’attività dei nanocluster di Ru sul carbonio aumenta effettivamente nel tempo, il che sfida i processi di disattivazione che solitamente si verificano per i catalizzatori durante il loro utilizzo. Questa entusiasmante scoperta non può essere spiegata attraverso i metodi di analisi tradizionali, quindi abbiamo sviluppato un approccio di microscopia per contare gli atomi in ciascun nanocluster del catalizzatore attraverso diverse fasi della reazione utilizzando la microscopia elettronica a scansione di trasmissione. Abbiamo rivelato una serie di trasformazioni sottili ma significative a livello atomico”.
I ricercatori hanno scoperto che gli atomi di rutenio inizialmente disordinati sulla superficie del carbonio si riorganizzano in nano-piramidi troncate con bordi a gradini. Le nano-piramidi dimostrano una notevole stabilità per diverse ore durante la reazione ad alte temperature. Evolvono continuamente per massimizzare la densità dei siti attivi, migliorando così la produzione di idrogeno dall’ammoniaca. Questo comportamento spiega le caratteristiche uniche di auto-miglioramento del catalizzatore.
Il professor Andrei Khlobystov, della School of Chemistry , University of Nottingham , ha affermato: “Questa scoperta traccia una nuova direzione nella progettazione dei catalizzatori, presentando un sistema stabile e auto-migliorante per la generazione di idrogeno dall’ammoniaca come fonte di energia verde. Prevediamo che questa svolta contribuirà in modo significativo alle tecnologie energetiche sostenibili, supportando la transizione verso un futuro a zero emissioni di carbonio”.
Questa invenzione segna un importante progresso nella comprensione dei meccanismi atomistici della catalisi eterogenea per la produzione di idrogeno. Apre la strada allo sviluppo di catalizzatori altamente attivi e stabili che utilizzano metalli rari in modo sostenibile controllando con precisione le strutture del catalizzatore su scala nanometrica.
L’Università di Nottingham è impegnata a promuovere tecnologie verdi e sostenibili. Lo Zero Carbon Cluster è stato recentemente lanciato nelle East Midlands per accelerare lo sviluppo e l’implementazione dell’innovazione nelle industrie verdi e nella produzione avanzata.
Questo lavoro è finanziato dal programma EPSRC Grant ‘Metal atoms on surfaces and interfaces (MASI) for sustainable future’ www.masi.ac.uk che è destinato a sviluppare materiali catalizzatori per la conversione di tre molecole chiave – anidride carbonica, idrogeno e ammoniaca – di importanza cruciale per l’economia e l’ambiente. I catalizzatori MASI sono realizzati in modo efficiente a livello atomico per garantire un uso sostenibile degli elementi chimici senza esaurire le scorte di elementi rari e sfruttando la maggior parte degli elementi abbondanti sulla Terra, come carbonio e metalli di base.(30Science.com)
