Innovazione e Ricerca

Spettroscopia neutronica per migliorare i catalizzatori industriali

Chimet S.p.A. collabora con l’Institut Laue-Langevin (ILL), centro di riferimento a livello mondiale per la ricerca neutronica, col fine di sviluppare catalizzatori industriali sempre più efficienti e migliorare il rendimento dei processi di produzione di sostanze chimiche.

Come discusso durante gli incontri Faraday Discussions organizzati dalla inglese Royal Society of Chemistry, un gruppo di ricercatori facenti capo all’Università di Torino e all’Institut Laue-Langevin (ILL) ha sfruttato le ultime innovazioni nel campo della spettroscopia neutronica col fine di individuare una possibile ottimizzazione di catalizzatori industriali. I catalizzatori sono sistemi utilizzati per accelerare le reazioni chimiche, aiutando a rendere i processi chimici più efficienti non solo in termini di attività ma anche di selettività. La scelta del giusto catalizzatore può tradursi in prodotti e processi innovativi che possono avere un impatto significativo sul consumo di energia, un fattore di cruciale importanza, considerando che un terzo dell’energia mondiale viene attualmente assorbito dall’industria chimica (vedi QUI per approfondimenti, N.d.R.).

 

La ricerca sui catalizzatori

I catalizzatori sono impiegati per modificare processi chimici inquinanti rendendoli più ecocompatibili, come accade nei convertitori catalitici installati sulle vetture di tutto il mondo che convertono in modo efficiente i prodotti di combustione dei motori in altri meno dannosi. Possono anche essere utilizzati per garantire che un certo prodotto presenti esattamente le caratteristiche adatte all’uso a cui è destinato, come avviene nella sintesi di principi attivi e intermedi per l’industria farmaceutica che devono rispondere ai più alti livelli di qualità e di affidabilità.

La ricerca sui catalizzatori è dunque un settore molto rilevante, poiché un loro miglioramento può permettere ad aziende chimiche e non significativi risparmi sui tempi e sui costi, conducendo nel contempo a prodotti e materiali con caratteristiche migliori da un punto di vista industriale ed ambientale.

 

Una ricerca innovativa sui catalizzatori per idrogenazione

Come pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Faraday Discussions, i ricercatori dell’Università di Torino e di ILL hanno sfruttato le potenzialità di LAGRANGE, uno dei migliori spettrometri neutronici, per analizzare le caratteristiche microscopiche di catalizzatori a base di nanoparticelle di platino supportate su carbone attivo con un grado di dettaglio senza precedenti. Questi catalizzatori sono frequentemente utilizzati per reazioni di idrogenazione nelle quali l’idrogeno molecolare idrogena (cioè satura) una grande varietà di composti organici e trovano ampio utilizzo in settori che variano dall’industria alimentare, a quella delle materie plastiche e a quella farmaceutica.

Chimet S.p.A., azienda leader nel campo del recupero e della raffinazione di metalli preziosi dagli scarti di processi di produzione industriali, vanta una Divisione Catalizzatori specializzata in questi sistemi: oro, palladio, platino e altri metalli preziosi recuperati dagli scarti dell’industria elettronica, fotografica e farmaceutica, vengono utilizzati per produrre catalizzatori metallici nanoparticellari destinati a diversi usi. Grazie ai risultati di questa ricerca, Chimet otterrà informazioni su come aumentare l’efficienza e la selettività dei suoi catalizzatori e permettere, ad esempio, la produzione di principi attivi nei medicinali di più alta qualità, contribuendo così al miglioramento delle cure farmaceutiche.

 

La tecnologia dello scattering neutronico

L’uso dei neutroni si rivela particolarmente interessante in questa ricerca, dal momento che permette agli scienziati di osservare la dinamica degli atomi e delle molecole di idrogeno in condizione di reazione. I neutroni vantano la peculiare proprietà di non danneggiare il materiale in esame, pur penetrando in profondità, ed inoltre sono sensibili ad elementi più leggeri come l’idrogeno. Ciò li rende una sonda perfetta per studiare reazioni in cui l’idrogeno è coinvolto e per identificare le esatte caratteristiche necessarie affiche un catalizzatore funzioni al meglio.

La spettroscopia neutronica presenta un suo interesse anche come tecnica complementare ad altri metodi di analisi e si conferma particolarmente utile in combinazione con tecniche che utilizzano i raggi X. Sebbene questi ultimi diano solamente informazioni indirette sul comportamento dell’idrogeno, essendo la sonda poco sensibile a questo elemento, le tecniche a raggi X possono essere comunque impiegate per monitorare delle specifiche modifiche del campione nel corso di una reazione. Partendo da queste considerazioni, il gruppo di ricerca ha lavorato in stretto contatto con un gruppo di specialisti nelle tecniche di raggi X: il lavoro scaturito da questa collaborazione ha fruttato un secondo contributo alle stesse Faraday Discussions, presentandone i risultati.

 

Gli interventi

Helmut Schober, Direttore dell’ILL, ha dichiarato: “ILL vanta una lunga storia nella ricerca a supporto dell’industria chimica per migliorare i processi catalitici. È un onore che questo progetto sia stato riconosciuto dalla prestigiosa Faraday Discussions della Royal Society of Chemistry. Questa particolare iniziativa evidenzia le enormi potenzialità della spettroscopia neutronica nello studio dei processi chimici. La sensibilità senza precedenti di queste tecniche è stata resa possibile dai progressi compiuti nella strumentazione a seguito del nostro ultimo programma di modernizzazione”.

Continua Schober: “La collaborazione tra il nostro centro di eccellenza per la produzione di neutroni e l’industria ha permesso di affrontare una notevole quantità di sfide scientifiche: oltre metà di tutto il lavoro svolto all’ILL riguarda applicazioni che contribuiscono a sviluppare soluzioni energetiche più sostenibili, farmaci più efficaci e una tecnologia migliore”.

 

Andrea Piovano, ricercatore presso il gruppo di spettroscopia dell’ILL, ha commentato: “Questo esperimento è stato reso possibile grazie ai significativi passi in avanti compiuti dalle tecniche di spettroscopia neutronica, che hanno permesso di analizzare le dinamiche dell’idrogeno coinvolto nella reazione con livelli di sensibilità inediti. Focalizzandosi su un catalizzatore a base di nanoparticelle di platino, lo studio ha aiutato la comprensione del comportamento di questo elemento in un ambiente contenente idrogeno e l’individuazione delle sue differenze rispetto ad altri metalli nobili, aprendo la strada a ulteriori ricerche rivolte all’uso di nanoparticelle metalliche in una grande varietà di catalizzatori”.

 

Riccardo Pellegrini, R&D Scientist di Chimet S.p.A., ha ricordato: “Il lavoro svolto presso ILL è stato estremamente importante per lo sviluppo delle tecniche che usiamo in Chimet, comprese quelle che supportano lo sviluppo di farmaci più efficienti. Abbiamo migliorato la nostra comprensione delle interazioni microscopiche che avvengono in presenza di un catalizzatore e questo ci aiuterà a progettare reazioni più efficienti con una miglior scelta di catalizzatori rispetto alle sostanze con cui dovranno essere combinati. Questo ci farà risparmiare tempo e risorse”.

 

La D.ssa Susan Weatherby, Programme Manager degli incontri Faraday Discussion, Regno Unito, ha concluso: “L’importanza dei contributi internazionali nella serie di incontri Faraday Discussion non è mai sottolineata abbastanza. Ben oltre la metà dei partecipanti agli incontri proviene dall’estero, con un terzo che arriva dall’Europa. Gli incontri Faraday Discussion si tengono in tutto il mondo – di recente ce n’è stato uno anche in Italia – e i chimici italiani hanno arricchito la discussione in numerose discipline differenti”.

 

Collaborazioni importanti nella ricerca neutronica

Dato che l’Italia è priva di una propria sorgente neutronica per scopi scientifici, la struttura e le competenze di ILL rappresentano un’importante opportunità per aziende italiane come Chimet per poter utilizzare i neutroni in ricerche dedite a migliorare le caratteristiche dei suoi prodotti. Circa il 6% di tutti i visitatori scientifici dell’ILL e il 24% di quelli provenienti dai Paesi partner scientifici sono italiani. Grazie all’ultraventennale partnership tra Italia e ILL, i settori accademico e industriale italiani hanno potuto usufruire di strumentazioni, competenze e formazione di altissimo livello.

L’Italia vanta una tradizione di progetti di successo con ILL: dal lavoro svolto dall’Università di Milano per mappare attraverso i neutroni i meccanismi alla base di malattie quali il Parkinson e l’Alzheimer, fino all’iniziativa intrapresa da CAEN S.p.A. per ottimizzare i propri sistemi elettronici e di acquisizione dati digitale.

A tal riguardo, la Società Italiana di Spettroscopia Neutronica (SISN), in stretto contatto con ILL, si occupa della formazione di una futura generazione di scienziati italiani specializzati nelle tecniche neutroniche. Le Giornate Didattiche e le Advanced Schools, adibite a questo scopo, assicurano che gli scienziati neutronici di domani siano a conoscenza dei più recenti sviluppi tecnici per poter sfruttare al meglio le risorse disponibili presso ILL e giungere così a scoperte che possano contribuire a migliorare il mondo.

 

Per questo studio è stato utilizzato lo strumento LAGRANGE di ILL, uno spettrometro a filtro ad alta risoluzione. Per approfondimenti, cliccate QUI.

 

Un nuovo business model nello scattering di neutroni

L’Institut Laue-Langevin (ILL) è un centro internazionale di ricerca situato a Grenoble, in Francia. Fondato da Francia, Germania e Regno Unito in collaborazione con altri 10 Paesi europei, da 40 anni l’Istituto è all’avanguardia a livello mondiale nella scienza e nella tecnologia dello scattering di neutroni. L’ILL gestisce una delle sorgenti di neutroni più intense del mondo e convoglia fasci di neutroni verso una suite di 40 strumenti ad alte prestazioni.

La ricerca condotta presso l’ILL copre una vasta gamma di discipline come biologia, chimica (green), scienze dei materiali, fisica della materia condensata, fisica nucleare e fisica fondamentale. Nell’ambito di FILL2030 (un progetto finanziato dal programma quadro dell’Unione Europea per la ricerca e innovazione Horizon 2020, attraverso il Grant Agreement n. 731096), ILL sta progettando un nuovo business model per sostenere la comunità degli utenti di neutroni mediante servizi ottimizzati e capacità finanziarie fin oltre il 2030.

 

Riferimenti

  1. “Looking for the active hydrogen species in a 5wt% Pt/C catalyst: a challenge for Inelastic Neutron Scattering”, M. Carosso, A. Lazzarini, A. Piovano, R. Pellegrini, S. Morandi, M. Manzoli, J. G. Vitillo, M. Jimenez Ruiz, C. Lamberti, E. Groppo.
  2. “A comprehensive approach to investigate the structural and surface properties of activated carbons and related Pd-based catalysts”, A. Lazzarini, A. Piovano, R Pellegrini, G. Leofanti, G, Agostini, S. Rudic, M.R. Chierotti, R. Gobetto, A. Battiato, G. Spoto, A Zecchina, C. Lamberti and E. Groppo.

 

www.ill.eu/

www.chimet.com/it/home

 

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