Per la prima volta, i ricercatori, compresi quelli dell’Università di Tokyo, hanno scoperto un modo per migliorare la durata dei catalizzatori d’oro creando uno strato protettivo di cluster di ossidi metallici.
I catalizzatori d’oro potenziati possono resistere a una gamma più ampia di ambienti fisici rispetto ai materiali equivalenti non protetti. Ciò potrebbe ampliare la gamma di possibili applicazioni e ridurre il consumo energetico e i costi in alcune situazioni.
Questi catalizzatori sono ampiamente utilizzati in tutti gli ambienti industriali, compresa la sintesi chimica e la produzione di medicinali. Queste industrie potrebbero trarre vantaggio da catalizzatori d’oro migliorati.
Nanoparticelle d’oro sotto il campo di applicazione. Immagine a risoluzione atomica della nuova nanoparticella dei ricercatori realizzata utilizzando una tecnica chiamata microscopia elettronica a trasmissione con scansione in campo scuro anulare. Credito immagine: Suzuki et al. CC DI ND
Tutti amano l’oro: atleti, pirati, banchieri, tutti. Storicamente è stato un metallo attraente da cui realizzare oggetti, come medaglie, gioielli, monete e così via. Il motivo per cui l’oro ci appare così brillante e allettante è perché è chimicamente resistente alle condizioni fisiche che potrebbero altrimenti offuscare altri materiali, ad esempio il calore, la pressione, l’ossidazione e altri danni.
Paradossalmente, però, su scala nanoscopica, minuscole particelle d’oro invertono questa tendenza e diventano molto reattive, tanto che da tempo sono indispensabili per realizzare diversi tipi di catalizzatori, sostanze intermedie che accelerano o in qualche modo permettono un reazione chimica che avvenga. In altre parole, sono utili o necessari per trasformare una sostanza in un’altra, da qui il loro ampio utilizzo nella sintesi e nella produzione.
“L’oro è un metallo meraviglioso ed è giustamente elogiato nella società, e soprattutto nella scienza”, ha affermato il professore associato Kosuke Suzuki del Dipartimento di Chimica Applicata dell’Università di Tokyo.
“È ottimo per i catalizzatori e può aiutarci a sintetizzare una serie di cose, compresi i medicinali. La ragione di ciò è che l’oro ha una bassa affinità per l’assorbimento delle molecole ed è anche altamente selettivo riguardo a ciò con cui si lega, quindi consente un controllo molto preciso dei processi di sintesi chimica. I catalizzatori in oro spesso funzionano a temperature e pressioni più basse rispetto ai catalizzatori tradizionali, richiedendo meno energia e riducendo l’impatto ambientale”.
Anche se l’oro è valido, presenta alcuni inconvenienti. Diventa più reattivo quanto più piccole sono le sue particelle, e c’è un punto in cui un catalizzatore fatto con oro può iniziare a soffrire negativamente a causa del calore, della pressione, della corrosione, dell’ossidazione e di altre condizioni. Suzuki e il suo team hanno pensato di poter migliorare questa situazione e hanno ideato un nuovo agente protettivo che potrebbe consentire a un catalizzatore d’oro di mantenere le sue funzioni utili ma in una gamma più ampia di condizioni fisiche che di solito ostacolano o distruggono un tipico catalizzatore d’oro.
“Le attuali nanoparticelle d’oro utilizzate nei catalizzatori hanno un certo livello di protezione, grazie ad agenti come i dodecantioli e i polimeri organici. Ma il nostro nuovo si basa su un gruppo di ossidi metallici chiamati poliossometallati e offre risultati di gran lunga superiori, soprattutto per quanto riguarda lo stress ossidativo”, ha affermato Suzuki.
“Stiamo attualmente studiando le nuove strutture e applicazioni dei poliossometallati. Questa volta abbiamo applicato i poliossometallati alle nanoparticelle d’oro e abbiamo accertato che i poliossometallati migliorano la durabilità delle nanoparticelle. La vera sfida è stata applicare un’ampia gamma di tecniche analitiche per testare e verificare tutto questo”.
Il team ha utilizzato una varietà di tecniche note collettivamente come spettroscopia. Ha utilizzato non meno di sei metodi spettroscopici che variano nel tipo di informazioni rivelate su un materiale e sul suo comportamento. Ma in generale, funzionano proiettando un qualche tipo di luce su una sostanza e misurando come quella luce cambia in qualche modo con sensori specializzati. Suzuki e il suo team hanno trascorso mesi eseguendo vari test e diverse configurazioni del loro materiale sperimentale finché non hanno trovato quello che stavano cercando.
Nanoparticelle d’oro a confronto. La protezione con tioli e polimeri organici sono due modi esistenti per aggiungere resilienza alle nanoparticelle d’oro. A destra c’è una rappresentazione del nuovo metodo dei ricercatori che utilizza il poliossometallato. Credito immagine: Suzuki et al. CC DI ND
“Non siamo spinti solo dal tentativo di migliorare alcuni metodi di sintesi chimica. Ci sono molte applicazioni delle nostre nanoparticelle d’oro potenziate che potrebbero essere utilizzate a beneficio della società”, ha affermato Suzuki.
“Catalizzatori per abbattere l’inquinamento (molte auto a benzina hanno già un convertitore catalitico familiare), pesticidi meno impattanti, chimica verde per le energie rinnovabili, interventi medici, sensori per agenti patogeni di origine alimentare, l’elenco potrebbe continuare. Ma vogliamo anche andare oltre. I nostri prossimi passi saranno quelli di migliorare la gamma di condizioni fisiche alle quali possiamo rendere le nanoparticelle d’oro più resistenti, e anche vedere come possiamo aggiungere una certa durabilità ad altri metalli catalitici utili come il rutenio, il rodio, il renio e, naturalmente, qualcosa che la gente apprezza anche più dell’oro: il platino”.
Fonte: Università di Tokio
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