Come si usa il platino per la catalisi

Il platino è uno dei materiali catalitici più efficaci e ampiamente utilizzati nella tecnologia moderna. Dalle celle a combustibile agli impianti chimici, fino ai sistemi di controllo delle emissioni degli autoveicoli, il platino consente alle reazioni di avvenire in modo più rapido, efficiente e in condizioni più blande di quanto sarebbe altrimenti possibile. Per capire perché il platino è così prezioso, è utile esaminare come funziona a livello atomico, come viene applicato nei convertitori catalitici e in quali altri settori industriali svolge un ruolo critico.

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Come funziona un catalizzatore di platino?

Se si conosce l'elettrolisi, è utile pensare a una cella a combustibile come a un'elettrolisi inversa.

Nell'elettrolisi dell'acqua, si applica una tensione per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. In teoria, è necessaria una tensione minima per far avvenire la reazione. In pratica, però, potrebbe essere necessaria una tensione superiore a quella minima. Questa tensione aggiuntiva si chiama "sovrapotenziale" e misura le perdite di energia che si verificano perché la reazione non è ideale sulla superficie dell'elettrodo.

Ilplatino è speciale perché, per le reazioni dell'idrogeno, il suo sovrapotenziale è molto vicino allo zero. Ciò significa che le reazioni dell'idrogeno avvengono in modo molto efficiente su una superficie di platino, con una perdita di energia molto ridotta. Ecco perché il platino è così prezioso nelle celle a combustibile a idrogeno e negli elettrolizzatori.

Una spiegazione un po' più dettagliata dell'utilità del platino riguarda il modo in cui interagisce con le molecole sulla sua superficie.

L'idrogeno gassoso (H₂), ad esempio, non reagisce facilmente nello spazio libero a temperatura ambiente. Ma quando le molecole di H₂ entrano in contatto con una superficie di platino, accade qualcosa di importante:

• La molecola di idrogeno si adsorbe (si attacca) alla superficie di platino.
• Il legame H-H si indebolisce e si rompe.
• Si formano due nuovi legami Pt-H.
• Ogni atomo di idrogeno può quindi perdere più facilmente un elettrone, formando protoni (H⁺).

La chiave è l'equilibrio. Il platino lega l'idrogeno in modo sufficientemente forte da rompere il legame H-H, ma non così forte da far sì che gli atomi di idrogeno rimangano permanentemente bloccati. I metalli che legano l'idrogeno troppo debolmente non possono attivarlo in modo efficiente. I metalli che lo legano troppo fortemente lo trattengono e rallentano la reazione. Il platino si trova vicino al "punto di forza" di questo equilibrio, il che lo rende eccezionalmente efficace.

Più in generale, il platino appartiene al gruppo di metalli noti come elementi del gruppo del platino (PGE), che comprende palladio, rodio, rutenio, iridio e osmio. Questi metalli condividono diverse caratteristiche importanti:

• Elevato punto di fusione
• Forte resistenza alla corrosione
• Molteplici stati di ossidazione
• Elevata capacità di adsorbire i gas

Come il catalizzatore di platino è comunemente usato nei convertitori catalitici

Una delle applicazioni più importanti e più estese dei catalizzatori di platino è quella dei convertitori catalitici delle automobili.

Il convertitore catalitico è stato inventato a metà degli anni '70 a seguito delle normative sulla qualità dell'aria che richiedevano una riduzione radicale delle emissioni delle automobili. Il Clean Air Act negli Stati Uniti ha portato all'uso diffuso delle marmitte catalitiche a partire dal 1975. In Europa e in altre parti del mondo, una legislazione simile si è affermata negli anni '90.

Il convertitore catalitico è montato sul sistema di scarico del veicolo. La sua complessità non è immediatamente evidente dal suo design esterno.

All'interno dell'involucro di acciaio inossidabile si trova un monolite di ceramica a forma di nido d'ape. Il design a nido d'ape consente di aumentare notevolmente la superficie con una ridotta resistenza al flusso dei gas di scarico.

Il substrato ceramico viene poi rivestito con uno strato di "washcoat". Il washcoat aumenta la superficie e favorisce la stabilizzazione dei metalli attivi. I metalli del gruppo del platino, che comprendono il platino (Pt), il palladio (Pd) e il rodio (Rh), sono quindi dispersi come nanoparticelle molto fini sullo strato. Il carico complessivo di PGE è normalmente pari a circa lo 0,1% in peso, ma poiché quando sono nuovi sono dispersi in particelle di dimensioni inferiori a 10 nanometri, la loro superficie è enorme.

Nei motori a benzina, le marmitte catalitiche "a tre vie" eseguono tre reazioni simultanee:

• ossidazione del monossido di carbonio (CO) ad anidride carbonica (CO₂)
• ossidazione degli idrocarburi incombusti (UHC) a CO₂ e acqua
• Riduzione degli ossidi di azoto (NOₓ) ad azoto (N₂)

Il platino e il palladio catalizzano principalmente le reazioni di ossidazione. Il rodio è particolarmente efficace per la riduzione degli NOₓ. In parole povere, il platino all'interno di un convertitore catalitico fornisce una superficie reattiva dove i gas di scarico nocivi vengono convertiti in sostanze meno tossiche prima che lascino il tubo di scappamento.

Altri usi dei catalizzatori al platino

Sebbene le marmitte catalitiche siano l'applicazione più nota, il ruolo catalitico del platino si estende ben oltre l'industria automobilistica.

Celle a combustibile ed energia da idrogeno

Nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM), il platino viene utilizzato su entrambi gli elettrodi:

• All'anodo, catalizza l'ossidazione dell'idrogeno (H₂ → 2H⁺ + 2e-).
• Al catodo, catalizza la riduzione dell'ossigeno (O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O).

Queste reazioni generano elettricità con l'acqua come unico sottoprodotto. Il basso sovrapotenziale del platino per le reazioni dell'idrogeno è fondamentale per un'elevata efficienza delle celle a combustibile.

Produzione chimica

I catalizzatori di platino sono ampiamente utilizzati in:

• Idrogenazione di composti organici
• reforming del petrolio per migliorare il numero di ottani della benzina
• Produzione di acido nitrico (spesso utilizzando garze di platino-rodio per l'ossidazione dell'ammoniaca).

In molti di questi processi, il platino opera ad alte temperature e in ambienti corrosivi dove metalli meno nobili si degraderebbero rapidamente.

Produzione di silicone e specialità chimiche

I catalizzatori di platino sono essenziali nelle reazioni di idrosililazione utilizzate per produrre siliconi. Questi materiali sono ampiamente utilizzati nell'elettronica, nei dispositivi medici, nei sigillanti e nei rivestimenti.

Trattamento ambientale e industriale dei gas

Il platino è utilizzato anche nei processi di ossidazione industriale, nei sistemi di purificazione dell'aria e nelle unità di trattamento dei gas di scarico. La sua durata e riciclabilità lo rendono adatto a operazioni industriali a lungo termine e ad alto rendimento.

Conclusioni

Il potere catalitico delplatino deriva da una rara combinazione di proprietà: adsorbe efficacemente i gas, attiva i legami chimici in modo efficiente e rimane stabile in condizioni termiche e chimiche estreme. Nelle marmitte catalitiche, trasforma i gas di scarico nocivi in emissioni più sicure. Nelle celle a combustibile, consente di convertire in modo efficiente l'energia dell'idrogeno. Negli impianti chimici, aziona reazioni industriali su larga scala con precisione e durata.

Riferimenti:

[1] Pianowska, Karolina & Kluczka, Joanna & Benke, Grzegorz & Goc, Karolina & Malarz, Joanna & Ochmański, Michał & Leszczyńska-Sejda, Katarzyna. (2023). Estrazione con solvente come metodo di recupero e separazione dei metalli del gruppo del platino. Materiali. 16. 4681. 10.3390/ma16134681.