Utilizzo di strutture metallorganiche per contribuire a costruire applicazioni energetiche più efficienti
Le strutture metallorganiche (MOF, Metal-Organic Frameworks) sono materiali porosi definiti da ioni metallici o cluster inorganici collegati tramite linker organici rigidi. Grazie alle loro superfici senza precedenti, alla capacità di essere modificati e alla costruzione modulare che consente la replicazione di caratteristiche chiave di enzimi naturali, questi materiali hanno il potenziale per svolgere un ruolo importante nell’accumulo e nella conversione dell’energia. La sfida, tuttavia, è comprendere come sfruttare al meglio le MOF per l’uso con applicazioni energetiche sostenibili, una sfida raccolta dal progetto Supramol (Towards Artificial Enzymes: Bio-inspired Oxidations in Photoactive Metal-Organic Frameworks). «Sfruttando unità costituzionali che raccolgono la luce, intendiamo sviluppare MOF robuste e porose che utilizzano l’assorbimento della luce come mezzo per innescare gli eventi di trasferimento di elettroni necessari per attivare il processo catalitico», afferma Wolfgang Schmitt, ricercatore principale del progetto e professore di chimica presso il Trinity College di Dublino. Secondo Schmitt, l’obiettivo finale è fornire una prova di concetto per lo sviluppo di sistemi fotocatalitici in grado di catalizzare la reazione di ossidazione dell’H2O altamente endergonica. «Ciò rappresenterebbe un’importante scoperta innovativa e un passo significativo verso l’implementazione di concetti energetici sostenibili basati sull’idrogeno», aggiunge.
Numerosi risultati importanti
Sebbene sia ancora in corso, questo progetto sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca ha già ottenuto diversi risultati importanti. Ad esempio, i ricercatori sono stati in grado di catalizzare l’ossidazione di H2O utilizzando una specie a base di manganese di ispirazione biologica che assomiglia alle caratteristiche strutturali del naturale fotosistema-II (PS-II). Il PS-II si trova nella membrana tilacoide di piante, alghe e cianobatteri ed è il primo complesso proteico nelle reazioni dipendenti dalla luce della fotosintesi ossigenata. «Questo approccio potrebbe aprire la porta a una nuova strada concettuale per lo sviluppo di catalizzatori efficaci per le tecnologie di conversione diretta dell’energia “da solare a combustibile”», spiega Schmitt. Il progetto ha anche preparato MOF altamente porose in cui le unità cataliticamente attive sono collegate tramite metalloligandi a base di rutenio che raccolgono la luce. «Sorprendentemente, il sistema può essere sintetizzato elettrochimicamente da soluzioni reagenti altamente diluite e assemblato direttamente in pochi minuti sulla superficie degli elettrodi», afferma Schmitt. Utilizzando studi fotofisici, i ricercatori hanno confermato che gli attributi di raccolta della luce dei metalloligandi rutenio-piridile sono mantenuti nelle MOF. «Questa caratteristica è fondamentale per agevolare il rapido trasferimento di energia ed elettroni necessari per catalizzare in modo efficiente la reazione di ossidazione dell’acqua o altre trasformazioni legate all’energia», aggiunge Schmitt. Altri risultati significativi includono la scoperta di un approccio sintetico alle gabbie molecolari sferiche con grandi diametri di sezione trasversale e la scoperta di materiali con elevate affinità per le molecole di gas CO2.
Ispirare nuovi progetti di ricerca collaborativa
Il progetto è riuscito a sviluppare processi sintetici per generare gruppi di materiali strutturalmente validi e altamente funzionali. «Alcuni di questi materiali sono fotoattivi», spiega Schmitt. «Altri hanno la capacità di essere sintetizzati in pochi minuti per formare, ad esempio, elettrodi direttamente sulla superficie». I ricercatori stanno ora utilizzando tali composti per sviluppare dispositivi fotoelettrocatalitici che possono essere utilizzati con una varietà di trasformazioni redox foto/elettrocatalitiche, tra cui l’ossidazione dell’acqua, la riduzione di CO2 e la trasformazione di reagenti organici. «I materiali sviluppati durante il progetto Supramol ispireranno nuovi progetti di ricerca in collaborazione», conclude Schmitt. «Ciò potrebbe includere non solo indagini su nuove relazioni tra struttura e reattività, ma anche approcci dal basso verso l’alto a MOF con proprietà fisico-chimiche avanzate che si estendono oltre la catalisi dell’ossidazione dell’acqua».
Parole chiave
Supramol, strutture metallorganiche, energia sostenibile, metallo, materiali, stoccaggio dell’energia, processo catalitico, sistemi fotocatalitici, idrogeno
