I catalizzatori della classe delle cosiddette zeoliti aiutano a rimuovere gli ossidi di azoto tossici dai gas di scarico industriali. I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI hanno scoperto che la loro struttura complessa, intervallata da pori di dimensioni nanometriche, è fondamentale e permette agli atomi di ferro di svolgere la loro funzione catalitica: i singoli atomi di ferro in alcuni pori vicini comunicano tra loro e guidano così la reazione desiderata.
Nell'industria si producono gas dannosi per l'uomo e per l'ambiente, che non devono quindi essere lasciati fuoriuscire. Si tratta del monossido di azoto e del protossido di azoto, quest'ultimo noto anche come gas esilarante. Entrambi vengono prodotti, ad esempio, durante la produzione di fertilizzanti. Per eliminarli dai gas di scarico, le aziende utilizzano convertitori catalitici basati sulle cosiddette zeoliti. I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI, in collaborazione con l'azienda chimica svizzera CASALE SA, hanno ora scoperto esattamente come questi catalizzatori rendono innocua la combinazione dei due ossidi di azoto. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature Catalysis e forniscono indizi su come i catalizzatori potrebbero essere migliorati in futuro.
Un intero zoo di specie di ferro
"CASALE, un'azienda con sede a Lugano, ci ha contattato perché voleva capire meglio come funzionano i suoi catalizzatori per gli ossidi di azoto", spiega Davide Ferri, responsabile del gruppo di ricerca di Catalisi Applicata e Spettroscopia del Centro di Scienze Energetiche e Ambientalidel PSI . Le zeoliti utilizzate a questo scopo sono composti simili a impalcature costituite da atomi di alluminio, ossigeno e silicio. Le zeoliti sono presenti in natura - ad esempio come minerali nelle formazioni rocciose - o sono prodotte sinteticamente. Molti catalizzatori dell'industria chimica si basano su questi composti, alla cui struttura di base vengono aggiunti altri elementi a seconda dell'applicazione.
Per convertire i due ossidi di azoto, l'ossido nitrico (NO) e il protossido di azoto (N2O) in molecole innocue, la struttura della zeolite contiene ferro. "Tuttavia, questo ferro si deposita in tutte le forme possibili nei pori di varie dimensioni della struttura della zeolite", spiega Filippo Buttignol, ricercatore del gruppo di Ferri. È il primo autore del nuovo studio e lo ha realizzato nell'ambito della sua tesi di dottorato. "Il ferro può assumere la forma di singoli atomi nei piccoli interstizi della zeolite, oppure diversi atomi di ferro possono formare legami chimici con atomi di ossigeno e occupare le cavità leggermente più grandi del reticolo regolare come cluster biatomici, poliatomici o poliatomici". In breve: un intero zoo di diversi composti di ferro può essere trovato nel catalizzatore. "Volevamo scoprire quale di queste specie di ferro è effettivamente responsabile della conversione chimica e quindi dell'eliminazione degli ossidi di azoto".
I ricercatori, specializzati in analisi spettroscopiche, sapevano quali tre tipi di esperimenti dovevano eseguire per trovare la risposta. Hanno eseguito ciascuno di essi mentre la reazione catalitica avveniva nei loro campioni di zeolite. In primo luogo, hanno utilizzato la sorgente di luce svizzera SLS del PSI per un'indagine chiamata spettroscopia di assorbimento di raggi X. "Questo ci ha permesso di misurare l'intero effetto catalitico di tutte le specie di ferro", spiega Buttignol. Poi, in collaborazione con il Politecnico di Zurigo, hanno utilizzato il metodo della risonanza di spin elettronico, che ha permesso di scomporre il contributo delle singole specie. Infine, sempre al PSI, i ricercatori sono riusciti a determinare l'aspetto molecolare delle varie specie di ferro presentiutilizzando la spettroscopia infrarossa .
Catalizzatore: materiale che consente una reazione chimica che sarebbe molto più difficile da realizzare senza la sua presenza. Nel materiale catalitico, singoli atomi o composti atomici possono passare da uno stato chimico all'altro (vedi reazione redox), ma ritornano sempre allo stato originale. Ciò significa che un catalizzatore non viene consumato né modificato in modo permanente dall'uso.
Spettroscopia: le analisi spettroscopiche utilizzano la luce visibile o un'altra parte dello spettro elettromagnetico (sono comprese le radiazioni UV e le radiazioni infrarosse, che non sono visibili all'uomo, ma anche i raggi X, le microonde e altri intervalli spettrali). Esistono diversi metodi di esame che differiscono nei dettagli. Ciò che hanno in comune è che la luce interagisce con il campione e la risposta fornisce informazioni su alcuni aspetti o proprietà del campione.
Spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS): Per questo specifico esame spettroscopico viene utilizzata la luce dei raggi X. Il campione assorbe le singole parti della luce. Il campione assorbe singole parti dello spettro dei raggi X, consentendo ai ricercatori di trarre conclusioni sul campione.
Risonanza di spin elettronico (ESR): Il campione viene esposto a un campo magnetico e contemporaneamente irradiato con microonde.
Spettroscopia infrarossa: la gamma infrarossa dello spettro luminoso può essere utilizzata per eccitare le vibrazioni o le rotazioni delle molecole. La spettroscopia infrarossa può quindi essere utilizzata per determinare quantitativamente sostanze note o per chiarire la struttura di sostanze sconosciute.
Tetraedro: un tetraedro è una piramide la cui base è un triangolo (così come tutti i suoi lati).
Reazione redox: il termine reazione redox è un portmanteau per reazione di riduzione-ossidazione. In una reazione redox, due sostanze chimiche - un agente riducente e un agente ossidante - si scambiano elettroni: Il primo li rilascia, il secondo li assorbe.
La catalisi avviene a livello dei singoli atomi che comunicano tra di loro.
Ognuno di questi tre metodi ha fornito uno dei pezzi del puzzle che alla fine ha portato al seguente quadro generale: Sono i singoli atomi di ferro situati in due tipi molto specifici di pori di zeolite a svolgere la catalisi. Due atomi di ferro agiscono insieme in pori vicini della struttura ricorrente: uno, che si trova al centro di una disposizione quadrata degli atomi di ossigeno della zeolite e dove avviene la reazione chimica dell'N2O, comunica con un altro atomo di ferro, che è circondato da una disposizione dell'ossigeno a forma di tetraedro e dove reagisce l'NO.
"Solo in questa costellazione vediamo il contributo del ferro all'eliminazione chimica dei due gas", spiega Buttignol. Questi atomi di ferro cedono ciascuno un elettrone e lo riprendono, il che significa che la tipica reazione di ossidoriduzione della catalisi avviene ripetutamente su di essi. Una caratteristica del funzionamento di un catalizzatore è che non si esaurisce e non viene modificato in modo permanente, ma ritorna sempre al suo stato chimico originale e quindi - almeno in teoria - ha una durata illimitata.
Eliminare in modo più efficiente i pericolosi ossidi di azoto
Ferri riassume il significato del nuovo studio: "Se sappiamo esattamente dove avviene la reazione, la produzione di catalizzatori può essere controllata di conseguenza".
La catalisi e quindi la rimozione di NO e N2Odall'aria di scarico industriale è importante, poiché entrambi sono tossici per l'uomo. Inoltre, entrambi i gas sono dannosi per l'ambiente: l'NO è una delle cause delle piogge acide, mentre il protossido di azoto N2Oè così altamente attivo sul clima che una sua molecola contribuisce all'effetto serra quasi 300 volte più di una molecola diCO2.
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Pubblicazione originale
F. Buttignol, J. W. A. Fischer, A. H. Clark, M. Elsener, A. Garbujo, P. Biasi, I. Czekaj, M. Nachtegaal, G. Jeschke, O. Kröcher e D. Ferri
Meccanismo cooperativo red-ox catalizzato dal ferro per la conversione simultanea di protossido di azoto e ossido nitrico
Nature Catalysis, 10.10.2024 (online)
DOI: 10.1038/s41929-024-01231-3
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L'Istituto Paul Scherrer PSI sviluppa, costruisce e gestisce grandi e complesse strutture di ricerca e le mette a disposizione della comunità di ricerca nazionale e internazionale. La sua ricerca si concentra sulle tecnologie del futuro, l'energia e il clima, l'innovazione sanitaria e i fondamenti della natura. La formazione dei giovani è una preoccupazione centrale del PSI. Per questo motivo, circa un quarto dei nostri dipendenti sono ricercatori post-dottorato, dottorandi o apprendisti. Il PSI impiega un totale di 2.300 persone, il che lo rende il più grande istituto di ricerca della Svizzera. Il budget annuale è di circa 450 milioni di franchi svizzeri. Il PSI fa parte del settore dei PF, che comprende anche il Politecnico di Zurigo e l'EPF di Losanna, nonché gli istituti di ricerca Eawag, Empa e WSL. (al 06/2025)
