Nanocatalizzatori

I nanocatalizzatori sono catalizzatori costituiti da nanoparticelle che, a causa della loro ampia area superficiale, hanno mostrato grandi possibilità sia nella catalisi omogenea che nella catalisi eterogenea in quanto una superficie maggiore implica un aumento dei siti attivi esposti, quindi un’area di contatto più ampia con i reagenti.

I  nanocatalizzatori infatti hanno una maggiore attività catalitica rispetto ai catalizzatori eterogenei convenzionali e sono caratterizzati dall’avere alta resistenza meccanica, elevata resistenza alle temperature elevate e ai solventi organici. Il moto browniano delle nanoparticelle, l’effetto di confinamento dei nanopori e i comportamenti autoassemblanti delle nanostrutture rendono i nanocatalizzatori non solo alternativi ai catalizzatori tradizionali ma possono sostituirli.

Con l’avvento nel campo delle nanotecnologie e la capacità di creare strutture e geometrie ingegnerizzate si ottengono sistemi catalitici sostenibili rispetto all’attività, alla vita dei nanocatalizzatori e ad una maggiore selettività. I nanocatalizzatori possono infatti combinare elevata reattività, bassa tossicità e sintonizzabilità alla facilità di separazione e riciclabilità.

Inoltre, la maggior parte dei nanocatalizzatori presenta alcuni vantaggi, poiché sono chimicamente stabili, economici, meno tossici, facilmente disponibili e hanno eccellenti proprietà fotoattive su scala nanometrica, ovvero hanno dimensioni in un intervallo di 1–100 nm.  Esibendo proprietà catalitiche sia omogenee che eterogenee, i nanocatalizzatori consentono trasformazioni chimiche rapide e selettive, con i vantaggi di un’eccellente resa del prodotto e della facilità di separazione e recupero del catalizzatore.

Grazie alle loro piccole dimensioni e alla maggiore area superficiale, i nanocatalizzatori si sono rivelati in grado di offrire una soluzione unica all’interfaccia tra catalisi omogenea ed eterogenea, consentendo una maggiore velocità di reazione.

Sintesi di nanocatalizzatori

Già nel 1850 Faraday produsse nanoparticelle metalliche mediante riduzione chimica dei rispettivi sali metallici, che è ancora un metodo comune nella sintesi delle nanoparticelle e i  ricercatori negli anni ’50 iniziarono a produrre particelle catalitiche più piccole.

I nanocatalizzatori possono essere sintetizzati approccio top-down e approccio bottom-up. Nel primo metodo, il materiale viene scomposto in particelle nanometriche mediante ablazione laser, incisione e sputtering. Nel processo bottom-up si utilizzano e si combinano oggetti su scala sub o nanometrica come atomi o molecole per costruire nanostrutture.

Questo processo è utilizzato più comunemente rispetto a quello top-down, sebbene sia piuttosto svantaggioso sia dal punto di vista economico che ambientale, a causa delle dure condizioni di reazione impiegate e dell’uso di costosi precursori ma consente la sintesi di catalizzatori ben definiti su scala nanometrica, per quanto riguarda dimensioni, forma e composizione superficiale.

Sono stati sviluppati numerosi metodi, comprese tecniche piuttosto convenzionali come la macinazione meccanica o la scomposizione chimica del materiale sfuso o il trattamento elettrochimico o solvotermico di soluzioni precursori.

Il metodo top-down prevede la macinazione meccanica, la decomposizione termica, la decomposizione chimica e il chemisorbimento spontaneo. Il metodo bottom-up ricorre a processi quali sol-gel, riduzione chimica dei sali, elettrochimici, irradiazione con microonde, sonochimica e microemulsione.

La sintesi di nanoparticelle come nanocatalizzatori mediante il metodo della microemulsione spesso preparate utilizzando riducenti come sodio boroidruro e idrazina, rimane un approccio affidabile e ben studiato perché la dimensione e la forma delle nanoparticelle possono essere ben progettate e preservate all’interno delle micelle presenti nella microemulsione.

I due principali problemi nella sintesi e nell’applicazione dei nanocatalizzatori sono la loro tendenza ad agglomerarsi associata al deterioramento delle loro caratteristiche uniche e le difficoltà incontrate nel recupero del catalizzatore dalla miscela di reazione.

La stabilizzazione elettrostatica si ottiene creando un doppio strato elettrico attorno al catalizzatore di nanoparticelle con sali disciolti nella miscela di reazione o mediante liquidi ionici. Questi doppi strati impediscono alle particelle di avvicinarsi troppo le une alle altre e quindi impediscono l’aggregazione.

Oltre all’aggregazione delle nanoparticelle, un’altra sfida nell’applicazione dei nanocatalizzatori è il loro efficiente recupero dalla miscela di reazione. Per risolvere il problema del recupero si è dimostrato efficace l’uso di un supporto magnetico per le nanoparticelle cataliticamente attive.

Sintesi verde

Negli ultimi anni sono state adottate modalità più ecologiche di sintesi dei nanocatalizzatori per raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite per una vita più sostenibile su questo pianeta. La preparazione di nanocatalizzatori verdi si realizza utilizzando solventi verdi o alla lavorazione dei nanocatalizzatori in modo che vengano infine dispersi in solventi verdi.

I metodi biobased per la produzione di nanoparticelle utilizzano sistemi biologici, che variano da semplici cellule procariote a complesse cellule eucariote. Nanoparticelle metalliche di alginato, titanio, magnesio, zinco, rame, argento e oro sono state prodotte in modo efficiente utilizzando batteri e attinomiceti.

Vari microrganismi come batteri, funghi e alghe vengono utilizzati come nanofabbriche e possono fornire un nuovo metodo per la sintesi di diversi tipi di nanocatalizzatori. La capacità delle cellule batteriche di sopravvivere e proliferare in condizioni climatiche estreme le rende gli organismi più ideali per la sintesi di nanoparticelle.

Bonifica degli inquinanti e nanocatalizzatori

Sono stati utilizzati per il trattamento delle acque reflue diversi tipi di nanocatalizzatori come fotocatalizzatori, elettrocatalizzatori e catalizzatori che si basano sulla reazione di Fenton per degradare contaminanti organici non biodegradabili e resistenti. Questi catalizzatori sono stati usati per potenziare le reazioni redox che coinvolgono gli inquinanti organici e l’azione antimicrobica. per degradare contaminanti organici non biodegradabili e resistenti

La degradazione degli inquinanti organici nelle acque reflue mediante fotocatalisi è mediata da reazioni fotocatalitiche tra nanoparticelle metalliche ed energia luminosa. I metalli semiconduttori agiscono come fotocatalizzatori per la degradazione di coloranti, detergenti, pesticidi e inquinanti organici volatili.

Questi nanocatalizzatori hanno la capacità di degradare composti organici alogenati e non alogenati. Il principio della fotocatalisi prevede l’eccitazione degli elettroni dal catalizzatore sotto l’influenza della luce. Le prestazioni  dei nanocatalizzatori dipendono da vari fattori come l’energia del band gap, la dimensione delle particelle, la concentrazione degli inquinanti e il pH.

Ad esempio, il biossido di titanio è il più diffuso perché ha una buona fotostabilità, ma molti nanocatalizzatori, come l’ossido di zinco, il solfuro metallico, i materiali a base di rame, hanno una stabilità chimica relativamente bassa a causa della loro proprietà di fotocorrosione. Quando la luce li colpisce, si ossidano e possono decomporsi con conseguente riduzione dell’efficienza.

I ricercatori hanno modificato i nanocatalizzatori mediante, drogaggio, nanoparticelle ibride o compositi utilizzando semiconduttori a banda stretta o anioni. Il drogaggio dei nanomateriali ha aumentato l’area superficiale del catalizzatore e ridotto al minimo le possibilità di riduzione delle dimensioni e di alterazione della configurazione dei nanocompositi. Molti studi si sono indirizzati alla progettazione di materiali fotocatalitici nuovi ed ecologici basati su strutture metallo-organiche (MOF), particolarmente adatti per il loro potenziale utilizzo nella degradazione ecologica di contaminanti organici tossici