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Fundamental and Applied Science on Molecular Redox-Catalysts of Energy Relevance in Metal-Organic Frameworks

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Strutture metallorganiche per celle elettrolitiche migliorano l’efficienza delle loro reazioni chimiche

Attraverso l’impiego della corrente elettrica, le celle elettrolitiche scindono l’acqua in idrogeno e ossigeno e possono ridurre l’anidride carbonica, rendendole una tecnologia determinante per il Green Deal dell’UE. MOFcat ha sviluppato una cella elettrolitica basata su strutture metallorganiche, migliorando l’efficienza del processo.

Ricerca di base

Le strutture metallorganiche (MOF) sono materiali cristallini porosi di molecole organiche («linker»), che collegano i raggruppamenti di ioni metallici per formare strutture tridimensionali. Tali piccole strutture, con dimensioni fino a circa 100 micrometri, sono ordinate e altamente modulari, nonché formano materiali con proprietà molto diverse. Sono state usate per migliorare l’efficienza dello stoccaggio di idrogeno in bombole per gas e sono state analizzate per il loro potenziale come meccanismo per caricare e rilasciare farmaci terapeutici volti a trattamenti medici. Recentemente, le strutture metallorganiche sono state sviluppate per fungere da celle elettrolitiche con unità catalitiche (un’unità di misura riconosciuta internazionalmente per quantificare l’attività catalitica di enzimi) incluse nei nodi metallici, nelle molecole linker o persino rinchiuse nei pori di tali strutture. Il progetto MOFcat (Fundamental and Applied Science on Molecular Redox-Catalysts of Energy Relevance in Metal-Organic Frameworks), sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, ha analizzato le celle elettrolitiche basate su strutture metallorganiche che ossidano l’acqua, generando gli elettroni e i protoni necessari per produrre idrogeno e ridurre l’anidride carbonica. Nelle strutture metallorganiche sviluppate, i nodi metallici forniscono l’impalcatura, garantendo integrità e longevità strutturale dei MOF, mentre i linker assicurano i siti per i catalizzatori che guidano le reazioni chimiche desiderate. «Per attivare l’elettrocatalisi più efficiente, abbiamo sviluppato nuovi metodi volti ad analizzare il trasporto di carica in questi materiali cristallini», afferma Sascha Ott, responsabile del progetto dell’Università di Uppsala. «Abbiamo scoperto che spesso le limitazioni non sono causate dalla frequenza di variazione delle unità catalitiche, ma dai limiti legati alla velocità del trasporto di carica elettrica tramite le strutture metallorganiche.»

I vantaggi delle strutture metallorganiche

Poiché le strutture metallorganiche sono materiali altamente ordinati, esse detengono un vantaggio significativo rispetto ad approcci basati su soluzioni in cui il catalizzatore non è controllabile. L’inserimento preciso del catalizzatore all’interno di tali strutture offre possibilità per interazioni controllate e specifiche del sito che migliorano le sue prestazioni. MOFcat ha sviluppato una piattaforma fotoelettrochimica che sfrutta l’energia luminosa per accelerare le trasformazioni chimiche. Tale nuova metodologia può essere applicata alla produzione di combustibile e per la catalisi foto-ossidoriduttiva organica. Per dimostrare quest’ultima, sono state utilizzate strutture metallorganiche per stratificare i semiconduttori che, quando illuminati, fornivano energia elettrica per eseguire trasformazioni chimiche. In seguito, il team ha prodotto diversi materiali di elettrodi basati su tali strutture. Uno di questi, battezzato «UU-100», è stato sintetizzato utilizzando il cobalto metallico, che è relativamente abbondante. UU-100 ha generato idrogeno per 18 ore senza ridurre la sua attività catalitica. «Incorporare catalizzatori molecolari a base di cobalto nelle strutture metallorganiche ha aumentato il turnover dell’idrogeno di un fattore superiore a 1 000 rispetto ai catalizzatori in soluzioni omogenee», spiega Ott. La maggior parte della caratterizzazione dei materiali è stata svolta attraverso l’impiego di tecniche elettrochimiche, a volte associate alla spettroscopia ultravioletta-visibile. Ad esempio, è stata sviluppata una struttura metallorganica su un elettrodo trasparente in cui i linker cambiano colore quando vengono ridotti elettrochimicamente, rendendo possibile osservare nel tempo il trasporto di carica tramite il film.

Una tecnologia che «apre le porte»

La piattaforma di MOFcat offre una tecnologia che è più efficiente e più pulita rispetto a molte alternative. Ad esempio, nella catalisi foto-ossidoriduttiva, i cosiddetti reagenti chimici sacrificali che generano gli elettroni e gli equivalenti ossidanti necessari per la catalisi rimangono nella miscela come scarti chimici. Ciò è evitabile utilizzando la piattaforma del progetto. Inoltre, la chimica molecolare rigorosa di MOFcat può mettere a punto la reattività del catalizzatore, riducendo l’anidride carbonica e garantendo al contempo rendimenti elevati con un minor numero di sottoprodotti che altrimenti sarebbe stato difficile e costoso rimuovere. Un altro esempio potrebbe essere la riduzione elettrochimica di CO2, per la cattura del carbonio o la generazione di prodotti quali il metanolo o l’etilene, che attualmente non è molto selettiva. Ciò è particolarmente vero quando materiali quali gli ossidi metallici sono usati come catalizzatori. «La nostra tecnologia di elettrocatalisi basata su strutture metallorganiche elettrochimiche potrebbe, in via di principio, essere inserita presso le fonti emittenti di anidride carbonica, quali le centrali elettriche o le raffinerie petrolifere basate su combustibili fossili, per ridurre le loro emissioni di CO2», aggiunge Ott. Il team ora sta cercando ulteriore supporto per testare un numero maggiore di diverse progettazioni di celle elettrolitiche in tali strutture e per sviluppare un prototipo per i loro materiali catalitici basati su strutture metallorganiche.

Parole chiave

MOFcat, strutture metallorganiche, MOF, elettrocatalisi, catalitico, idrogeno, anidride carbonica, CO2, foto-ossidoriduttivo, elettrodo, luce

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