Chimica sostenibile: il ruolo dei catalizzatori

Trasformare la materia, per la produzione di prodotti utili per la vita di tutti i giorni, richiede energia e la possibilità di ridurre il consumo energetico ha, ovviamente, un impatto positivo sulla sostenibilità del processo, sia in termini economici che ambientali

La ricerca in ambito chimico è costantemente alla ricerca di catalizzatori o biocatalizzatori che possano ridurre l’impatto ambientale di reazioni chimiche largamente utilizzate per le produzioni industriali.

La tematica è così rilevante da essere stata oggetto di premi Nobel conferiti a diversi scienziati. Tra i molti possiamo ricordare gli studi pionieristici sulla catalisi di Wilhelm Ostwald (Nobel nel 1909), i primi esempi di catalisi mediata da metalli di Paul Sabatier (Nobel nel 1912), l’invenzione dei catalizzatori che prendono il loro nome da parte di Giulio Natta e Karl Ziegler (Nobel nel 1963), fondamentali per la produzione di polimeri, gli studi sui catalizzatori chirali di William S. Knowles, Ryōji Noyori e  K. Barry Sharpless (Nobel nel 2001).

Cos’è un catalizzatore?

Un catalizzatore è una entità chimica che consente di ridurre l’energia necessaria per effettuare una trasformazione chimica, rendendola al contempo più veloce.

Il catalizzatore si ritrova inalterato al termine del processo e può dunque essere utilizzato più volte (cicli). Anche le reazioni che avvengono nei sistemi viventi hanno necessità di catalizzatori: si chiamano biocatalizzatori o enzimi.

Una curiosità: gli enzimi sono i catalizzatori più efficienti che conosciamo, in grado di velocizzare una reazione chimica fino a un quadrilione di volte (una reazione che richiederebbe anni, se catalizzata dagli enzimi avviene in frazioni di secondo; in altre parole vengono rese possibili reazioni che altrimenti non sarebbero compatibili con la scala dei tempi della vita come la conosciamo sulla Terra).

Nell’industria, i catalizzatori sono ampiamente utilizzati per produrre carburanti, polimeri, fertilizzanti, aromi e molti altri prodotti, rendendo i processi più veloci, efficienti ed economici.

Quali novità dal mondo della ricerca?

La ricerca nell’ambito dei catalizzatori è estremamente attiva e qui vogliano portare qualche  interessante proposta innovativa, focalizzate su differenti aspetti applicativi.

Obiettivo di una ricerca pubblicata sulla rivista Science è la produzione di un composto chimico a due soli atomi di carbonio, l’etilene, fondamentale per la produzione di innumerevoli derivati di uso quotidiano e industriale, a partire dalle emissioni di anidride carbonica.

Attualmente l’etilene viene principalmente ottenuto da fonti fossili. Per effettuare le trasformazioni chimiche necessarie per trasformare l’anidride carbonica in etilene è necessario l’utilizzo di catalizzatori.

I ricercatori, che vedono il contributo anche dell’Università di Trieste, hanno messo a punto un sistema catalitico che sfrutta la luce, in grado di ridurre la formazione di prodotti indesiderati e massimizzare l’ottenimento di etilene.

Per arrivare all’applicazione industriale è ancora necessario ottimizzare l’efficienza energetica, la struttura e la produzione del catalizzatore e potenziare l’intensità della luce.

Il propilene, strutturalmente simile all’etilene, ma con un atomo di carbonio in più, è un altro prodotto chimico di grande interesse industriale, anch’esso prodotto principalmente da fonti fossili.

Per migliorare il processo produttivo si stanno studiando catalizzatori sempre più efficienti per ottenerlo dal propano per perdita di idrogeno (deidrogenazione). Sempre dall’Università di Trieste è stato proposto un nuovo catalizzatore che dimostra una migliorata stabilità ed efficienza nelle condizioni operative per questa trasformazione.

Un’altra linea di ricerca all’avanguardia, volta a migliorare l’efficienza dei catalizzatori, si occupa della sintesi e studio di catalizzatori a singolo atomo (Sac, dall’inglese Single atom catalyst).

Un gruppo di ricerca che coinvolge l’Università degli Studi di Milano-Bicocca ha studiato un nuovo approccio per la produzione di Sac a base di atomi di palladio estremamente stabili e efficienti in termini catalitici.

Cosa sono i catalizzatori a singolo atomo?

I catalizzatori a singolo atomo sono una classe di catalizzatori che sta suscitando un enorme interesse. Il loro punto di forza principale, rispetto ai catalizzatori tradizionali, è la loro straordinaria efficienza.

I catalizzatori tradizionali sono materiali che lavorano unicamente sulla superficie di contatto con i reagenti e gli atomi che si trovano all’interno del materiale non partecipano alla catalisi, ma fungono solo da supporto.

Nei Sac, invece, ogni singolo atomo che costituisce il catalizzatore si trova isolato, disperso su un supporto e può catalizzare la reazione. La struttura dei Sac massimizza le prestazioni riducendo al minimo la quantità di catalizzatore, in genere costituito da metalli rari, che pongono problemi di sostenibilità economica che ambientale.

I Sac sono attualmente applicati nella raffinazione del petrolio e nel settore automobilistico nelle marmitte catalitiche per ridurre le emissioni di composti nocivi. L’applicabilità industriale, tuttavia, è ancora limitata dalla loro instabilità e dalle difficoltà produttive su larga scala.

Approfondimenti:

• The Central Role of Enzymes as Biological Catalysts
• Photochemical H2 dissociation for nearly quantitative CO2 reduction to ethylene
• An Adaptive Palladium Single-Atom Catalyst Enabling Reactivity Switching between Borylation and C–C Coupling
• Pt migration-lockup 1 in zeolite for stable propane dehydrogenation catalyst

Crediti immagine: Depositphotos

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Laura Cipolla: curiosa su tutto ciò che coinvolge la trasformazione della materia, dai sistemi viventi alle applicazioni della chimica, in particolare quelle legate alle biotecnologie. Per lei, la chimica è la vita, è il nostro Pianeta | Linkedin

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