In chimica, la catalisi a singolo atomo, nota anche con l'acronimo SAC (dall'inglese Single-Atom Catalysis) è quella branca della catalisi eterogenea che sfrutta siti catalitici costituiti da singoli atomi isolati, principalmente metallici, dispersi e fissati su un materiale di supporto. In questo modo i siti catalitici sono a diretto contatto con l'ambiente di reazione, consentendo di massimizzare l'efficienza atomica rispetto ai tradizionali catalizzatori eterogenei composti da cluster o nanoparticelle metalliche. Vengono così ridotti i costi soprattutto quando si usano metalli preziosi come rodio e platino. Per motivi sia economici che ambientali sono stati studiati e impiegati anche metalli più abbondanti come ferro, nichel e rame. L'uso di atomi metallici singoli permette anche di ottenere intorni di coordinazione specifici, regolandone attività e selettività per bloccare reazioni indesiderate. Oltre ad atomi metallici, la SAC si è gradualmente estesa fino ad utilizzare atomi di tutti i gruppi della tavola periodica (idrogeno, metalloidi e nonmetalli), a esclusione dei gas nobili. Il materiale di supporto può essere di vario tipo, a seconda della natura dell'atomo da utilizzare come catalizzatore. I supporti più impiegati sono ossidi metallici (, , e tanti altri), grafene, MOFs, carbonio amorfo e nero di carbonio.
Storia Il campo della catalisi a singolo atomo si è sviluppato a partire dal 2003. Alcune date importanti sono le seguenti. 2003. Durante studi di catalisi eterogenea, Maria Flytzani-Stephanopoulos e collaboratori evidenziano per la prima volta che le specie catalitiche attive nella reazione di spostamento del gas d'acqua sono singoli atomi di oro o platino dispersi su un supporto di CeO2, mentre le nanoparticelle metalliche risultano inattive. 2011. Tao Zhang e collaboratori coniano il termine single-atom catalysis, descrivono la preparazione di un catalizzatore contenente singoli atomi di platino ancorati su un supporto di ossido di ferro nanocristallino, e osservano l'elevatissima attività e stabilità di questo catalizzatore in reazioni di ossidazione di CO. 2012. Il gruppo di ricerca di Charles Sykes caratterizza un catalizzatore costituito da singoli atomi di palladio dispersi su una superficie di rame, e osservata la sua selettività nell'idrogenare composti organici. 2016. Nanfeng Zheng e collaboratori producono fotochimicamente atomi isolati di palladio disperdendoli su nanofogli di TiO2. Nelle reazioni di idrogenazione di stirene e benzaldeide il materiale così prodotto risulta più attivo e più stabile del classico catalizzatore eterogeneo Pd/C (palladio su carbonio). 2018. Javier Pérez-Ramírez e collaboratori preparano singoli atomi di palladio ancorati a nitruro di carbonio grafitico, e trovano che questo catalizzatore ha prestazioni superiori in reazioni di condensazione di Suzuki rispetto a usuali catalizzatori omogenei ed eterogenei.
Sintesi dei catalizzatori a singolo atomo I processi di sintesi hanno un ruolo cruciale nel determinare l'attività del catalizzatore. Sono stati impiegati vari metodi per produrre atomi isolati su una superficie di supporto. Alcune delle tecniche maggiormente impiegate sono: Deposizione a strati atomici (ALD, dall'inglese Atomic Layer Deposition): il supporto viene trattato con una serie di impulsi di vapore contenente un precursore del metallo, fino ad arrivare al carico atomico desiderato. Metodi pirolitici: un adatto precursore metallo-organico viene decomposto termicamente, e gli atomi metallici formati si depositano sul supporto. I complessi dei metalli di transizione con leganti organici sono tipici precursori; supporti molto comuni sono MOF, colloidi di silicio e carbonio. Immersione diretta: il componente attivo già monodisperso in soluzione viene semplicemente posto a contatto con il supporto, dove va ad adsorbirsi. Quando il supporto è un ossido metallico si può sfruttare il pH per modificarne la struttura superficiale (O–, OH, o OH2+) e favorire le interazioni elettrostatiche. Il metodo è particolarmente semplice, ma è difficile ottenere una dispersione regolare sul supporto. Riduzione fotochimica: un complesso metallico già adsorbito sul supporto viene irradiato con radiazioni UV per demolire il complesso e lasciare i singoli atomi metallici isolati.
Applicazioni A tutt'oggi (2025) non esistono applicazioni su larga scala della catalisi a singolo atomo. Tuttavia sono attivi molti gruppi di ricerca nel tentativo di migliorare vari processi catalitici di interesse industriale, tra i quali: riduzione di per convertire questo gas serra in combustibili e altri prodotti chimici in modo efficiente ed ecologico scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno, processo molto importante in vista di una futura economia dell'idrogeno riduzione dell'ossigeno, una reazione importante nelle celle a combustibile tipo PEMFC e nelle pile zinco-aria riduzione di per controllare e limitare le emissioni di questi gas tossici riduzione di azoto e nitrati per sintetizzare ammoniaca in modo più efficiente ed ecologico rispetto al processo Haber-Bosch ossidazione di per ottenere prodotti di base per l'industria chimica come e reazione di spostamento del gas d'acqua, importante per produrre idrogeno puro in modo economico
Note
Bibliografia
Categoria:Catalisi