L’industria emette gas dannosi per l’uomo e per l’ambiente, ma che non possono essere rilasciati nell’atmosfera. Si tratta dell’ossido di azoto e del protossido di azoto, noto anche come gas esilarante. Possono formarsi insieme, ad esempio durante la produzione di fertilizzanti. Per eliminarli dai fumi industriali, le aziende interessate utilizzano catalizzatori basati sulle cosiddette zeoliti. In collaborazione con l’azienda chimica svizzera CASALE SA, gli scienziati dell’Istituto Paul Scherrer PSI hanno appena individuato il modo esatto in cui questi catalizzatori neutralizzano la combinazione di questi due ossidi di azoto. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista specializzata Nature Catalysis e forniscono indizi su come migliorare i catalizzatori in futuro.
Un intero zoo di specie di ferro
"L’azienda luganese CASALE ci ha contattato perché voleva capire meglio come funzionano i suoi catalizzatori per l’eliminazione degli ossidi di azoto", spiega Davide Ferri, responsabile del gruppo di ricerca di catalisi applicata e spettroscopia del Centro di scienze energetiche e ambientali del PSI. Le zeoliti utilizzate in questi catalizzatori sono composti con una struttura scheletrica costituita 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 utilizzati nell’industria si basano su questi composti, ma a seconda dell’applicazione vengono aggiunti altri elementi alla loro struttura di base.Per trasformare i due ossidi di azoto, l’ossido nitrico (NO) e il protossido di azoto (N2O), in molecole innocue, la struttura della zeolite contiene ferro. "Ma questo ferro si deposita in tutte le forme possibili nei pori di diverse dimensioni della struttura della zeolite", spiega Filippo Buttignol, ricercatore del gruppo guidato da Davide Ferri. È l’autore principale del nuovo studio e ha svolto la sua tesi di dottorato in questo contesto. Il ferro può essere depositato sotto forma di atomi isolati nei piccoli spazi interstiziali della zeolite", continua. Oppure diversi atomi di ferro possono formare legami chimici con atomi di ossigeno e occupare le cavità leggermente più grandi del reticolo regolare sotto forma di cluster biatomici, pluriatomici o poliatomici". In breve, il catalizzatore contiene un intero zoo di composti di ferro diversi. "Volevamo identificare quale di queste diverse specie di ferro fosse realmente responsabile della trasformazione chimica e quindi dell’eliminazione degli ossidi di azoto", spiega.
Questi ricercatori, specialisti in analisi spettroscopiche, sapevano di dover condurre tre tipi di esperimenti per trovare la risposta. Ogni volta hanno condotto gli esperimenti 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’analisi chiamata spettroscopia di assorbimento di raggi X. "Questo ci ha permesso di misurare l’effetto catalitico totale di tutte le specie di ferro", spiega Filippo 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 diverse specie di ferro. Infine, sempre al PSI, gli scienziati sono riusciti a determinare l’aspetto molecolare delle diverse specie di ferro presenti utilizzando la spettroscopia infrarossa.
Catalizzatore: materiale che consente di effettuare una reazione chimica. Senza di esso, la reazione chimica sarebbe molto più difficile da realizzare. Nel materiale catalizzatore, i vari atomi o composti di atomi possono passare da uno stato chimico all’altro (vedi "Reazione di ossidoriduzione"), ma ritornano sempre al loro stato iniziale. In questo modo, un catalizzatore non viene consumato né modificato in modo permanente dall’uso.
Spettroscopia: nelle analisi spettroscopiche si utilizza la luce visibile o un’altra parte dello spettro elettromagnetico. Questo comprende componenti della luce invisibili all’uomo, come i raggi UV e infrarossi, ma anche i raggi X, le microonde e altri intervalli spettrali. Esistono diversi metodi di analisi, che differiscono tra loro nei dettagli. Ciò che hanno in comune è che la luce interagisce con il campione e la risposta fornisce informazioni su determinati aspetti o proprietà del campione.
Spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS): questa specifica analisi spettroscopica utilizza la luce dei raggi X. Il campione assorbe diverse parti dello spettro dei raggi X, consentendo agli scienziati di trarre conclusioni sul campione. Il campione assorbe diverse parti dello spettro dei raggi X, consentendo agli scienziati di trarre conclusioni sul campione.
Risonanza di spin elettronico: il campione viene sottoposto a un campo magnetico e contemporaneamente irradiato con radiazioni a microonde.
Spettroscopia infrarossa: la regione 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 e le altre tre facce sono triangoli.
Reazione di ossidoriduzione: il termine reazione di ossidoriduzione si riferisce alla reazione di riduzione-ossidazione. In una reazione redox, due sostanze chimiche - un agente riducente e un agente ossidante - si scambiano elettroni: il primo li cede, il secondo li assorbe.
La catalisi avviene a livello di singoli atomi, che comunicano tra loro.
Ognuno di questi tre metodi ha fornito un pezzo del puzzle e ci ha permesso di ottenere l’immagine finale: la catalisi avviene a livello di atomi di ferro isolati, che si trovano in due tipi molto specifici di pori di zeolite. Due atomi di ferro situati in pori vicini nella struttura periodica agiscono insieme. Uno di essi si trova al centro di una disposizione quadrata di atomi di ossigeno nella zeolite ed è qui che avviene la catalisi del protossido di azoto. Questo atomo comunica con un altro atomo di ferro, circondato da una disposizione tetraedrica dell’ossigeno, al quale reagisce il NO."È solo in questa costellazione specifica che vediamo il contributo del ferro all’eliminazione chimica dei due gas", conclude Filippo Buttignol. Questi atomi di ferro hanno ceduto ciascuno un elettrone prima di riprenderselo. In altre parole, è proprio al loro livello che avviene la reazione di ossidoriduzione, tipica della catalisi. Questa modalità di funzionamento è caratteristica dei catalizzatori, che non si esauriscono e non vengono modificati in modo permanente, ma tornano sempre allo stato chimico iniziale e, così facendo, hanno - almeno teoricamente - una durata illimitata.
Eliminare in modo efficiente i pericolosi ossidi di azoto
Davide Ferri riassume l’importanza del nuovo studio: "Sapere esattamente dove avviene la reazione chimica significa poter controllare di conseguenza la produzione dei catalizzatori", sottolinea.La catalisi, e con essa l’eliminazione dell’ossido di azoto e del protossido di azoto dai fumi industriali, è importante perché questi gas sono tossici per l’uomo. Sono anche dannosi per l’ambiente: l’ossido di azoto causa piogge acide, mentre il protossido di azoto ha un effetto sul clima tale che una singola molecola di protossido di azoto contribuisce all’effetto serra quasi 300 volte di più di una singola molecola di anidride carbonica.
