Cosa c'è di meglio del platino?

Nelle celle a combustibile a idrogeno, la risposta sono le porfirine di cobalto cofacciali.

È un boccone da dire, e se non sei un chimico, probabilmente non hai mai sentito parlare di questi composti prima. Ma queste molecole, che sono ottime nel facilitare una reazione chimica necessaria per produrre energia da idrogeno e ossigeno, potrebbero essere il prossimo grande progresso nell'energia alternativa.

I composti si assemblano in laboratorio da blocchi chimici simili a Lego progettati per adattarsi insieme. È una tecnologia shake-and-bake:gli scienziati aggiungono i pezzi a una fiaschetta, mescolarli insieme e aggiungere il calore. Col tempo, gli elementi costitutivi si uniscono nei punti giusti per formare i complessi finali.

Il materiale è economico e facile da produrre in grandi quantità. Questo lo rende un candidato ideale per sostituire i costosi catalizzatori al platino utilizzati oggi nelle celle a combustibile a idrogeno, dice Timothy Cook, dottorato di ricerca, assistente professore di chimica presso l'Università del Buffalo College of Arts and Sciences, il cui team ha progettato i nuovi composti autoassemblati.

Tale tecnologia potrebbe un giorno consentire alle case automobilistiche di tagliare il prezzo delle auto a idrogeno, mettendo i veicoli ecologici alla portata di un maggior numero di consumatori. Le celle a combustibile a basso costo potrebbero anche guidare lo sviluppo di altri dispositivi alimentati a idrogeno, come generatori di backup. L'idrogeno è considerato una fonte di energia pulita perché le celle a combustibile emettono solo acqua come sottoprodotto.

"Per abbassare il prezzo dei veicoli a idrogeno e renderli un'opzione realistica per più persone, abbiamo bisogno di un catalizzatore che sia più economico del platino, " Cook dice. "Il catalizzatore che abbiamo realizzato può essere autoassemblato in enormi quantità. Contiene rutenio e cobalto—metalli molto più economici—e, ancora, funziona bene o meglio di un catalizzatore al platino disponibile in commercio che abbiamo testato insieme ad esso."

Uno studio che descrive il nuovo materiale è stato pubblicato il 29 maggio in Chimica:una rivista europea . I coautori di Cook includevano la prima autrice Amanda N. Oldacre, un recente dottorato di ricerca in chimica UB. laureato; Ph.D. chimica UB. studente Matthew R. Crawley; e Alan E. Friedman, dottorato di ricerca, professore associato di ricerca di design e innovazione dei materiali presso la UB School of Engineering and Applied Sciences.

Un catalizzatore che si autoproduce

Il laboratorio di Cook è specializzato in autoassemblaggio molecolare, un potente processo per la creazione di nuovi materiali.

"Quando penso all'autoassemblaggio molecolare, Penso sempre ai Lego, " dice. "Hai elementi costitutivi progettati per adattarsi insieme, come pezzi di un puzzle. Questi elementi costitutivi sono attratti l'uno dall'altro, e quando li metti insieme e aggiungi energia, si uniscono da soli.

"L'autoassemblaggio è un ottimo modo per creare una molecola complessa. Di solito, sintetizzare un nuovo materiale, devi aggiungere i pezzi uno per uno, che richiede tempo e denaro. L'autoassemblaggio molecolare è più veloce:è un processo in un solo passaggio".

Le porfirine di cobalto cofacciali sono costituite da due molecole piatte chiamate porfirine di cobalto, che sono impilati uno sopra l'altro come un panino e collegati da "clip" di rutenio.

Per creare i composti finali, Il laboratorio di Cook ha progettato porfirine e clip con proprietà chimiche che assicuravano che si collegassero tra loro nei punti giusti. Il team ha quindi miscelato una soluzione di porfirine con le clip e ha aggiunto calore. In due giorni, i pezzi si erano autoassemblati per formare le porfirine di cobalto cofacciali.

Un catalizzatore ispirato dalla natura

Come il catalizzatore al platino che sono progettati per sostituire, le porfirine cobalto cofacciali facilitano una reazione chimica nelle celle a combustibile a idrogeno chiamata riduzione dell'ossigeno. Ciò comporta la scissione di una molecola di ossigeno in due atomi di ossigeno separati che possono quindi legarsi all'idrogeno per formare acqua, un'interazione che produce energia.

Gli scienziati sanno da tempo che le porfirine sono ottime per catturare e scindere l'ossigeno:nel corpo umano, le versioni a base di ferro di queste molecole sono responsabili di aiutare a convertire l'ossigeno che respiriamo in acqua, rilasciando energia nel processo, Cook dice.

Ma progettare strutture porfiriniche artificiali che agiscano da catalizzatori è stato difficile, Aggiunge. Il processo di creazione di questi composti è solitamente costoso, coinvolgendo molti passaggi e generando pochissimo materiale alla fine.

L'autoassemblaggio risolve questi problemi:il team di Cook ha creato 79 grammi di porfirine di cobalto cofacciali per ogni 100 grammi di materiale di partenza, molto meglio della resa inferiore all'1% che altri laboratori hanno riportato durante la sintesi di materiali simili. Inoltre, il suo team è stato in grado di sostituire e testare facilmente clip di rutenio di diverse lunghezze per mettere a punto le qualità elettrochimiche del composto con un occhio alla progettazione di un catalizzatore ideale.

"È davvero gratificante lavorare sulla chimica fondamentale di questo progetto, che potrebbe avere un grande impatto sulla conversione dell'energia a emissioni zero, "dice Oldacre, il primo autore. "Utilizzando tecniche di autoassemblaggio, siamo in grado di realizzare materiali più economici in 48 ore, senza il difficile, fasi di purificazione che richiedono tempo, richieste da altri metodi per sintetizzare nuovi composti."