Si è individuata una nuova strada per capire come funzionano i catalizzatori eterogenei. La scoperta è rilevante considerato che consentirebbe, nell’immediato futuro, di convertire il monossido di carbonio, pericoloso gas killer, prodotto da stufe mal funzionanti e impianti industriali nella più innocua anidride carbonica.

Allo stesso tempo permetterebbe la produzione sostenibile di idrogeno, vettore energetico del futuro, nonché il miglioramento del funzionamento degli impianti petrolchimici e l’ottimizzazione di innumerevoli processi chimici.
Lo studio, di recente pubblicato sulla rivista scientifica Science, è ad opera dell’Iccom-Cnr e dell’Università di Trieste con collaborazioni negli Stati Uniti. Abbiamo intervistato il professor Paolo Fornasiero, del dipartimento di scienze chimiche e farmaceutiche dell’ateneo triestino, per saperne di più.

D: Che cos’è un catalizzatore eterogeneo?
R: In generale, un catalizzatore permette di far avvenire una reazione chimica in condizioni di temperatura o pressione più blande rispetto al normale. Alla fine del processo il catalizzatore viene recuperato e idealmente non subisce trasformazioni, pertanto può essere riutilizzato per molto tempo. Quindi un catalizzatore eterogeneo è un materiale solido in grado di favorire una trasformazione chimica di reagenti che si trovano allo stato liquido o gassoso.

D: In concreto dove troviamo i catalizzatori?
R: Attualmente la maggior parte dei processi industriali utilizza catalizzatori. Un tipico esempio è quello delle marmitte catalitiche nelle automobili che sono dei solidi in grado di trasformare i gas di scarico della combustione in prodotti innocui.
Ma tutta la nostra vita si basa su sistemi catalitici. I farmaci vengono preparati utilizzando catalizzatori che consentono di svolgere la sintesi dei principi attivi a basse temperature, cioè in condizioni in cui essi non si degradano. I materiali plastici o i fertilizzanti vengono prodotti utilizzando catalizzatori. Anche i combustibili derivati dal petrolio subiscono trasformazioni catalitiche. E questi sono solo alcuni esempi. Tutta la nostra vita attuale è pertanto basata sui catalizzatori.

D: A che punto è la vostra ricerca internazionale sui catalizzatori eterogenei e cosa avete scoperto fino ad ora?
R: Ci siamo occupati di molte cose, tra queste l’abbattimento catalitico di inquinanti gassosi e liquidi o la produzione sostenibile di combustibili solari quali l’idrogeno da fonti rinnovabili.
Di recente, abbiamo sviluppato catalizzatori innovativi per la combustione catalitica del metano costituiti da un cuore metallico di palladio all’interno di un guscio poroso di ossido di cerio,  aumentando notevolmente l’attività catalitica del metallo e stabilizzandolo.

D: Qual è la rilevanza della scoperta?
R: L’importanza della scoperta sta nel fatto che mentre il petrolio è in esaurimento, il gas naturale (essenzialmente metano) avrà ancora una lunga durata date le riserve disponibili. Utilizzare l’energia contenuta nei suoi legami chimici al meglio è un obbligo. Il metano è il più “pulito” tra gli idrocarburi, poiché la sua semplice struttura (un atomo di carbonio legato a quattro atomi di idrogeno) consente di minimizzare le emissioni di CO2 a parità di peso.
La sua struttura semplice, però, tradisce: è, infatti, un composto molto stabile e i suoi legami sono difficili da rompere, condizione necessaria per utilizzare l’energia contenuta nella molecola. Il metano, inoltre, è un gas serra molto più potente della CO2 stessa, con un effetto 20 volte maggiore. Il suo uso estensivo, ad esempio in ambiente domestico per il riscaldamento, è solitamente effettuato per via termica, cioè bruciandolo ad alte temperature (800-1000 °C), attraverso un processo chiamato combustione, il processo in cui il metano brucia in presenza di ossigeno. Un processo analogo è sfruttato anche nelle turbine a gas, utilizzate per produrre energia. La combustione, tuttavia, causa l’emissione di composti tossici (ossidi di azoto – causa delle piogge acide, monossido di carbonio-tossico, oltre a metano incombusto – gas ad effetto serra). La realizzazione di processi più efficaci a più basse temperature comporterebbe sia riduzione delle emissioni di sostanze nocive sia un notevole incentivo economico.

D: Differenze rilevanti rispetto ai catalizzatori convenzionali?
R: I catalizzatori convenzionali per la combustione del metano sono costituiti da piccolissime particelle metalliche di palladio, dalle dimensioni di milionesimi di millimetro, in contatto con un altro materiale, chiamato ossido di cerio, entrambi materiali preziosi vista la loro scarsità. Tuttavia, questi catalizzatori sono poco attivi e perdono drammaticamente la loro efficienza quando esposti alle alte temperature del processo.
Noi abbiamo realizzato un’elegante architettura molecolare attraverso un approccio modulare simile alle costruzioni del famoso “Lego”. Anziché disporre il metallo sopra l’ossido, come convenzionalmente si fa, abbiamo pensato di costruire prima le particelle di metallo e poi circondarle da uno strato poroso protettivo di ossido di cerio. Si ottengono così delle strutture a sfera con un cuore metallico. La procedura è il brillante risultato della combinazione di diverse discipline nel campo delle nanotecnologie. Utilizzando poi una serie strategica di interazioni a livello molecolare dei mattoncini costituenti la struttura e depositando le sub unità catalitiche su un supporto rigido molto comune ma opportunamente progettato per distribuirle omogeneamente, abbiamo ottenuto un materiale che, a parità di metallo inserito, è 30 volte più attivo dei migliori catalizzatori attualmente esistenti.
Il catalizzatore così ottenuto brucia completamente il metano a 400 °C, temperatura ben più bassa rispetto ai processi oggi utilizzati. La particolare nanostruttura del materiale sviluppato consente di massimizzare le interazioni utili tra i costituenti e di ridurre il contenuto di palladio e cerio, con conseguente significativo beneficio economico.

D: Quali applicazioni industriali, sostenibili da un punto di vista ambientale, potrebbero esserci in futuro?
R: Sono notevoli e immediate le applicazioni future: dalla conversione del monossido di carbonio, noto gas killer prodotto da stufe mal funzionanti e impianti industriali, alla produzione sostenibile di idrogeno, vettore energetico del futuro, dal miglioramento del funzionamento di impianti petrolchimici all’ottimizzazione di innumerevoli processi chimici. Particolarmente promettente e per il quale abbiamo già diversi contatti industriali è lo sviluppo di sistemi in grado di abbattere il metano incombusto emesso nei gas di scarico di autoveicoli diesel o a metano, da caldaie o impianti industriali. Tali applicazioni sono molto importanti in quanto il metano ha un effetto serra di gran lunga superiore a quello del biossido di carbonio.
Infine, molto promettenti sono anche i nostri studi sulla possibilità di utilizzare la radiazione solare assieme ad ossido ferrico, materiale simile alla ben nota ruggine, anche se rigorosamente in forma nanostrutturata per scindere l’acqua e produrre idrogeno, possibile vettore energetico/combustibile del futuro e ossigeno.