Chimica Industriale, Ricerca Italiana vince 1.5 Milioni da parte dell’ERC – Parte I

L’Italia della ricerca che, nonostante tutto, va avanti e si impone sulla scena internazionale. Matteo Maestri. Laureato con Lode al Politecnico di Milano in Ingegneria Chimica nel 2004. Dottorato di Ricerca acquisito nel 2008 per la sua ricerca intitolata “Short-contact-time Catalytic Partial Oxidation of Methane on Rh: reactor analysis and microkinetic modelling” presso il l’università tecnica lombarda. Esperienze negli Stati Uniti presso l’Università del Dalaware – una delle migliori al mondo in campo chimico – e Philadelphia e, poi, in Germania, a Berlino, come membro del Fritz-Haber-Institut der MaxPlanck-Gesellschaf in cui ha iniziato gli studi di Post-Dottorato. Nel 2011, grazie all’Alexander von Humboldt Foundation, il Dott. Maestri ha concluso il periodo di Post-Dottorato presso il Catalysis Research Center (CRC) del Technische Universität di Monaco, Germania. 

Ora ricercatore e professore del Politecnico di Milano. Autore e coautore di più di 50 pubblicazioni scientifiche. Vincitore di una decina di premi in tutto il mondo. Non ultimo quello ricevuto pochissimi mesi fa da parte dell’European Research Council (ERC) che prevede un finanziamento di un milione e mezzo di euro per il suo team di ricerca composto da cinque persone a Milano. Scopo della ricerca, sviluppare delle metodologie teoriche e sperimentali per lo studio dettagliato del legame tra struttura e reattività in processi catalitici eterogenei.

Il professor Maestri ci ha concesso gentilmente un’intervista riguardo la sua ricerca, gli impatti tecnici e quotidiani che ne derivano e un suo personale pensiero sul mondo della ricerca e dei ricercatori in Italia. Buona Lettura!

Pochi mesi fa ha vinto l’ambito premio di Ricerca dell’ERC grazie al suo studio sui legami tra struttura e reattività in processi catalitici eterogenei. Ci può spiegare – nel modo più semplice possibile – in che campo studia e di cosa tratta la ricerca prima citata?

Il mio campo di ricerca è la catalisi eterogenea, ossia lo studio di processi in cui materiali specifici – appunto i catalizzatori – accelerano selettivamente la velocità di alcuni cammini di reazione. L’importanza della catalisi eterogenea è enorme dal punto di vista industriale sia nella produzione di importantissimi prodotti chimici, che sono alla base della nostra vita di tutti i giorni, sia in applicazioni nell’ambito dell’energia e della sostenibilità ambientale. A titolo esemplificativo e non esaustivo si pensi alla produzione di ammoniaca, intermedio fondamentale per la produzione dei fertilizzanti, alla produzione di idrogeno e all’abbattimento di inquinanti da sorgenti mobili (per esempio gli ossidi di azoto dalle nostra auto – i famosi Euro “x”). La catalisi eterogenea è un campo di ricerca molto interdisciplinare e rientra negli interessi di diverse discipline: chimica, fisica dello stato solido, scienza dei materiali, chimica-fisica, ingegneria chimica.

In particolar modo, io mi sono occupato a partire dal mio Dottorato di Ricerca in poi, di cinetica delle reazioni catalitiche, ossia lo studio sperimentale e lo sviluppo di modelli fondamentali per poter prevedere la velocità di reazioni chimiche su materiali catalitici e lo studio dei meccanismi di reazione in funzione delle condizioni operative. Questi studi e modelli sono di fondamentale importanza per la progettazione del reattore chimico (dal classico reattore industriale, alla marmitta catalitica di un’auto, ai microreattori) e per l’ottimizzazione di processi esistenti e lo sviluppo di nuovi (più economici, efficienti e sostenibili).

Il progetto finanziato dall’ERC è relativo allo sviluppo di una metodologia sperimentale e teorica per poter studiare il comportamento del materiale catalitico durante la reazione. Infatti, evidenze sperimentali di primaria importanza (si pensi per esempio ai lavori di Gabor Somorjai a Berkeley e quelli di Gerald Ertl, premio Nobel per la Chimica 2007, a Berlino) hanno evidenziato un legame tra la struttura del catalizzatore durante la reazione e la sua stessa capacità di accelerare i cammini di reazione. Attualmente tutti i modelli catalitici si basano su un concetto statico e “astratto” del catalizzatore: il successo di questo progetto permetterebbe un avanzamento molto importante delle nostra capacità di progettare e studiare un processo catalitico, con un conseguente impatto economico e ambientale molto rilevante.

Entrando più nel dettaglio. Potrebbe illustrare i punti salienti dei suoi studi in modo più preciso al nostro pubblico più preparato?

In particolare, questo progetto ERC intende mettere a punto una metodologia sperimentale e teorica per lo sviluppo di modelli microcinetici, che tengano in conto in modo esplicito della influenza della struttura del catalizzatore sull’attività stessa del materiale. Questi modelli microcinetici “struttura-dipendenti” costituiscono un elemento fondamentale per una comprensione su scala atomica di importanti processi industriali, ponendo le basi per l’utilizzo della struttura stessa del catalizzatore come una variabile ingegneristica di progetto. Tutto questo permetterebbe una “nano-ingegnerizzazione” del materiale catalitico, per ottenere per esempio, rese maggiori, riduzione di produzione di sottoprodotti non voluti (e.g., non economici o inquinanti). Questa metodologia avrebbe anche un impatto molto forte sulla comprensione dei fenomeni di disattivazione del catalizzatore, permettendo di indagare i meccanismi responsabili della disattivazione e quindi, per esempio, ottimizzare le condizioni operative per aumentare la vita del catalizzatore.

I processi che verranno studiati nella ricerca saranno il reforming catalico a basso tempo di contatto di idrocarburi per la produzione di idrogeno in ambito energetico. L’approccio necessario è molto interdisciplinare e necessita contributi sperimentali e teorici dalla scienza dei materiali e dalla chimica fisica all’ingegneria chimica.

Ho iniziato a occuparmi di modellazione microcinetica durante il mio dottorato di ricerca e in particolare modo nel periodo che ho svolto al “Center for Catalytic Science and Technology” – University of Delaware (USA). Nei centri di ricerca in cui ho lavorato, ho incontrato chimici e fisici teorici, imparando l’utilizzo di metodi di calcolo della struttura elettronica dei materiali per analisi cinetiche. Ritornato al Politecnico di Milano, ho fatto una sintesi di quanto imparato in queste esperienze internazionali, attraverso l’applicazione di metodi tipici delle scienze fondamentali alla “scienza ingegneristica”, in un approccio multiscala di analisi “dall’atomo al reattore”. Tutto questo costituisce oggi il cuore del mio programma di ricerca. Questo finanziamento mi permette di allestire un laboratorio dedicato tramite l’acquisizione di attrezzature di calcolo e di analisi sperimentali e la possibilità di finanziare dottorati di ricerca e post-dottorati completamente dedicati a questo progetto.

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