I materiali a base di carbonio hanno diverse qualità che li rendono attraenti come catalizzatori per accelerare le reazioni chimiche. Sono economici, leggeri e la loro superficie elevata fornisce una buona impalcatura su cui ancorare i catalizzatori, mantenendoli stabili e dispersi a distanza, fornendo alle molecole molta superficie su cui lavorare. Ciò rende i carboni utili per lo stoccaggio di energia e i sensori. Negli ultimi 10 anni, i carboni sono stati utilizzati in elettrochimica per catalizzare reazioni per produrre sostanze chimiche e celle a combustibile.
Tuttavia, nel lavoro recentemente riportato in Comunicazioni sulla naturaDion Vlachos dell’Università del Delaware e ricercatori del Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI), con i collaboratori del Brookhaven National Laboratory, hanno fatto alcune scoperte sorprendenti mentre stavano sviluppando tecniche per comprendere meglio il ruolo dell’ossigeno nel funzionamento dei catalizzatori a base di carbonio.
Secondo Vlachos, ciò che hanno scoperto ha capovolto parte di ciò che sapevano sulla chimica.
Non tutti gli ossigeni sono uguali
Nonostante la loro utilità, i carboni non sono ben compresi. Non sono nemmeno uniformi. I materiali di carbonio a volte contengono ossigeno e questo ossigeno può presentarsi in molteplici forme diverse: come alcol, aldeide, chetone o acido. Una domanda aperta è cosa fa l’ossigeno in questi materiali di carbonio.
Quindi, Vlachos e un team di ricercatori hanno prelevato molecole di carbonio e introdotto sistematicamente sempre più ossigeno, quindi hanno caratterizzato il materiale risultante utilizzando tecniche spettroscopiche per misurare la quantità e il tipo di ossigeno presente. I ricercatori lo hanno fatto per una libreria di circa 10-15 materiali, quindi hanno eseguito reazioni utilizzando i diversi carboni ossigenati. Ciò ha permesso loro di correlare la reattività del materiale di carbonio con la quantità e il tipo di ossigeni presenti utilizzando strumenti di apprendimento automatico.
Il lavoro del team ha mostrato una connessione tra la quantità e il tipo di ossigeno presente e le prestazioni, incluso quali ossigeni sono più attivi. Controintuitivamente, i ricercatori hanno anche scoperto qualcosa di sorprendente: gli effetti a lungo raggio degli anelli aromatici lontani da un sito di catalizzatore possono a volte far sì che i gruppi alcolici del carbonio diventino più acidi dei familiari gruppi funzionali del carbonio acido che si trovano nei piccoli acidi della chimica organica.
All’inizio, i ricercatori sono rimasti sorpresi, ma poi hanno fatto alcuni calcoli e hanno confermato che l’effetto era dovuto ai carboni ossigenati a base alcolica negli anelli aromatici.
“Il carbonio ha anelli aromatici”, ha affermato Vlachos, presidente Unidel Dan Rich in Energia e direttore del CCEI, un centro di ricerca sulla frontiera dell’energia sostenuto dal Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti. “E più anelli di carbonio vengono aggiunti a un materiale, maggiore è la possibilità di creare un fenomeno regionale in cui gli effetti a lungo raggio da molto lontano possono avere un effetto di controllo sull’attività dei siti del catalizzatore”.
Questo non è il caso della tipica chimica della catalisi, dove l’effetto è molto locale. Ad esempio, il legame A influisce sul legame B e basta.
“L’intero pensiero della chimica è capovolto. Questo non era previsto”, ha aggiunto.
In termini di applicazioni, Vlachos ha affermato che ciò significa che se i ricercatori vogliono creare un catalizzatore di carbonio più acido, dovranno utilizzare più gruppi funzionali alcolici, in questo caso idrossili.
I ricercatori hanno utilizzato tecniche avanzate per convalidare i risultati dei modelli matematici e caratterizzare cosa accadrebbe all’ossigeno nei materiali in condizioni quasi reali, mentre si verificava la chimica.
“Il team dell’Università del Delaware ha compiuto un’impresa impressionante utilizzando strumenti e metodi avanzati per svelare un complicato sistema catalitico”, ha affermato Anibal Boscoboinik, uno scienziato dei materiali presso il Center for Functional Nanomaterials, un Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) Office of Science User Facility presso il Brookhaven National Laboratory del DOE. “Siamo lieti di aver svolto un ruolo in questo risultato significativo conducendo misurazioni utilizzando uno speciale tipo di spettroscopia presso il Center for Functional Nanomaterials”.
Con questa nuova metodologia per determinare cosa sta facendo ciascuna parte della chimica, il team di ricerca può testare diverse tecniche per produrre materiali per vedere quale approccio ha l’effetto migliore. Ad esempio, tutte le molecole di ossigeno sono ugualmente efficaci nell’accelerare le reazioni catalitiche o alcune sono migliori di altre? Vlachos è anche curioso di sapere se la fonte di ossigeno può essere utilizzata per disperdere i metalli per le reazioni. I metodi tradizionali per introdurre l’ossigeno in una reazione per produrre materiali sono corrosivi, quindi trovare modi più ecologici per farlo potrebbe avvicinare la realizzazione di processi più sostenibili.
Jiahua Zhou e Piaoping Yang, studenti di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare, sono stati co-autori principali del documento. Il direttore del CCEI Dion Vlachos e Weiqing Zheng, direttore associato del CCEI, sono stati co-principali investigatori del progetto. I coautori di UD includono Stavros Caratzoulas, Pavel A. Kots e Caitlin M. Quinn. Altri coautori che collaborano includono Matheus Dorneles de Mello e J. Anibal Boscoboinik del Brookhaven National Laboratory, e Ying Chen, Maximilian Cohen e Wendy J. Shaw, del Pacific Northwest National Laboratory.
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