I catalizzatori bimetallici sono una classe importante di catalizzatori eterogenei a causa delle loro insolite proprietà catalitiche rispetto ai loro singoli componenti metallici.
I costi di un processo industriale dipendono, tra l’altro, dalla velocità delle reazioni coinvolte.
Abitualmente un aumento della temperatura provoca un aumento della velocità della reazione stessa ma, in molti casi, si usano i catalizzatori che, abbassando l’energia di attivazione, accelerano il processo.
I catalizzatori che sono utilizzati sono di tipo poroso al fine di aumentare la superficie di contatto. La reazione procede sulla superficie del catalizzatore: le molecole reagenti diffondono infatti attraverso i pori del catalizzatore.
Vantaggi
Nei catalizzatori bimetallici la presenza di un secondo metallo porta a cambiamenti nella struttura atomica ed elettronica delle nanoparticelle offrendo numerosi vantaggi rispetto ai catalizzatori monometallici in relazione alla costituzione della superficie e a effetti:
- geometrici in quanto i siti attivi sono alterati a causa di modificazioni geometriche
- elettronici in quanti i siti attivi sono modificati dal trasferimento di elettroni tra i metalli
- di stabilizzazione
- sinergici
- bifunzionali in quanto ogni metallo può offrire una funzione diversa nel meccanismo della reazione
- costituzione della superficie
Le ricerche sulla relazione esistente tra configurazione elettronica dei metalli utilizzati quali catalizzatori e la loro attività catalitica portano a evidenziare che un catalizzatore bimetallico costituisce un valido supporto nella catalisi eterogenea.
Inizialmente furono compiute ricerche su catalizzatori costituiti rispettivamente da nichel– cromo, rutenio– rame, osmio– rame, platino– iridio e platino-rutenio nelle reazioni di idrogenazione, deidrogenazione e nei processi di isomerizzazione.
Nell’ultimo decennio si sono studiate le attività catalitiche di catalizzatori bimetallici costituiti dagli elementi del Gruppo VIII i cui capostipiti sono ferro, cobalto e nichel con gli elementi del Gruppo IB costituiti da rame, argento e oro.
Usi
I catalizzatori bimetallici sono utilizzati in molte reazioni tra cui la riduzione dell’ossigeno nelle celle a combustibile.
In particolare sono stati studiati gli effetti dei catalizzatori bimetallici nella produzione di biocarburanti da biomasse. Si è dimostrato che essi presentano, rispetto a quelli tradizionali, una maggiore attività e un’alta selettività nella trasformazione delle biomasse.
Il ruolo dei catalizzatori bimetallici nella produzione dell’idrogeno dimostra che la selettività varia notevolmente a seconda delle diverse combinazioni di questo tipo di catalizzatori.
I catalizzatori rutenio-rame usati nell’idrogenolisi del glicerolo mostrano infatti una diversa selettività e una diversa resa controllate dal differente rapporto dei due metalli.
Ulteriori studi effettuati su nanoparticelle hanno evidenziato che le loro proprietà sia chimiche che fisiche sono influenzate da entrambi i metalli. L’aggiunta di un altro metallo, produce proprietà completamente diverse.
I catalizzatori bimetallici possono presentarsi con diverse strutture; ad esempio se è presente un metallo particolarmente costoso esso è assemblato in particolari posizioni sulla superficie dell’altro metallo.
Un tipo di catalizzatore bimetallico può presentare una struttura cava che ha un elevato rapporto superficie/volume, bassa densità ed elevata superficie di contatto.