Alcuni dei settori economici più difficili da decarbonizzare trarrebbero vantaggio dall'emergere di catalizzatori sostanzialmente più efficienti coinvolti nelle reazioni chimiche di conversione dell'energia. Una svolta in questo caso potrebbe dipendere dall'uso di pigmenti ampiamente utilizzati nei processi biologici integrati come catalizzatori in strutture molecolari nuove e altamente porose che agiscono come spugne.

Un documento che descrive lo stato di avanzamento in questo campo e le sfide che deve affrontare è stato pubblicato sulla rivista Nano Research Energy il 29 maggio.

Negli ultimi anni, le porfirine e le metalloporfirine hanno svolto un ruolo sempre più importante nella chimica biomimetica, nell'utilizzo dell'energia solare, nella medicina e in molte altre applicazioni. Ma l'uso delle porfirine nelle reazioni di elettrocatalisi e fotocatalisi, fondamentale per molti processi di conversione dell'energia utili per la transizione pulita, è risultato instabile, disattivato e difficile da riciclare, il che ha limitato l'ulteriore sviluppo di queste tecnologie di conversione dell'energia.

Quindi gli scienziati hanno iniziato a considerare l'integrazione delle porfirine come ligandi organici (lo ione che si lega a un atomo di metallo centrale in una molecola complessa) in strutture molecolari sintetiche note come strutture metallo-organiche (MOF) e le loro strutture gemelle, covalenti-organiche (COF):noti come materiali per strutture a base di porfirina.

"Questo dovrebbe in linea di principio fornire eccellenti prestazioni di elettrocatalisi e fotocatalisi poiché le strutture MOF e COF sono semplici da sintetizzare e altamente progettate, quindi molto più controllabili e strutturalmente stabili", ha affermato Yusuke Yamauchi, coautore dell'articolo e ricercatore con l'australiano Istituto di Bioingegneria e Nanotecnologie presso l'Università del Queensland.

"I ricercatori, che sono essi stessi coinvolti nello sviluppo di materiali per strutture a base di porfirina, hanno messo insieme un articolo di revisione che descrive lo stato dei lavori nel loro campo. Tali documenti di revisione sono necessari affinché i giovani settori avanzino mentre chiariscono le conoscenze attuali, discutono i progressi e le sfide , identificare le lacune nella ricerca e persino offrire linee guida per politiche e suggerimenti sulle migliori pratiche", Huan Pang, coautore dell'articolo e ricercatore presso la School of Chemistry and Chemical Engineering presso l'Università di Yangzhou, in Cina

Il documento esplora tutte le applicazioni attuali e potenziali dei catalizzatori per materiali strutturali a base di porfirina e rileva che rimane un grande potenziale, ma il campo deve affrontare diverse sfide.

In un'economia di emissioni nette di gas serra, non tutto può essere elettrificato, in particolare il trasporto pesante a lungo raggio, e quindi sarà necessaria una qualche forma di combustibili puliti, come idrocarburi sintetici carbon neutral, ammoniaca o idrogeno. Tutti questi combustibili implicano la conversione di energia pulita, sia dal sole, dal vento, dall'acqua o dall'uranio, in energia chimica trasportabile e stabile. Parte di questo processo richiede la produzione di idrogeno pulito attraverso l'uso di elettricità, luce o calore per dividere l'acqua nei suoi elementi costitutivi, idrogeno e ossigeno.

Gli idrocarburi sono composti da diversi rapporti di carbonio e idrogeno, da cui il nome. Pertanto, le versioni pulite e sintetiche che sostituiscono i loro sporchi cugini fossili richiederanno l'estrazione dell'anidride carbonica dall'atmosfera e la sua trasformazione in varie forme utilizzabili di carbonio come input da sposare con l'idrogeno pulito. L'abbattimento del carbonio atmosferico e il suo utilizzo è noto anche come cattura e utilizzo del carbonio (CCU).

Tutti questi processi, e molti altri coinvolti nella transizione pulita (il passaggio dai combustibili fossili alle tecnologie pulite) come l'uso delle celle a combustibile e la raccolta della luce, sono in effetti reazioni chimiche che convertono l'energia da una forma all'altra, forma più utilizzabile . Queste reazioni chimiche richiedono l'aggiunta di sostanze note come catalizzatori che accelerano la reazione. Alcuni di questi catalizzatori sono estremamente costosi, come il platino, o non sono abbastanza efficienti da consentire al prodotto finale di competere con i combustibili fossili o di produrre le proprie sfide ambientali.

Così è iniziata la caccia a catalizzatori più efficienti, più economici e più puliti come la porfirina.

Lo sviluppo di efficienti catalizzatori per materiali strutturali a base di porfirina non preziosi per sostituire i catalizzatori di metalli preziosi rimane un ostacolo significativo. La progettazione e la costruzione di blocchi di porfirina attualmente si basa principalmente su un design altamente simmetrico, che limita la diversità delle famiglie di strutture di porfirina e influisce sulle loro potenziali applicazioni catalitiche. Nuove strutture che impiegano unità di porfirina con un design asimmetrico dovrebbero essere considerate per estendere l'utilità della sostanza.

Il costo della preparazione dei materiali per strutture in porfirina rimane elevato e quindi è urgente che gli ingegneri sviluppino nuovi metodi di sintesi se questi catalizzatori devono essere utilizzati in applicazioni industriali su larga scala. Ridurre il numero di passaggi necessari alla sintesi è una ricerca importante, ma è anche estremamente difficile farlo.

Concludono tuttavia che se tali sfide dovessero essere superate, i materiali per strutture a base di porfirina potrebbero essere un punto di svolta nella commercializzazione dei processi di conversione dell'energia essenziali per alcuni dei settori che sono i più difficili da decarbonizzare.

Le porfirine sono alcune delle sostanze che lavorano più duramente della biologia. Questa classe di pigmenti è impiegata in un'ampia gamma di processi vitali, dalla fotosintesi alla respirazione. I derivati ​​di queste molecole idrosolubili a forma di anello che legano gli ioni metallici includono le clorofille nelle piante e le emoglobine che trasportano l'ossigeno nel sangue degli animali. Migliorano anche le attività catalitiche degli enzimi in una serie di altre reazioni chimiche vitali. Le metalloporfirine sono di particolare interesse per quanto riguarda la transizione pulita per il loro ruolo di catalizzatori nella scissione dell'acqua per produrre idrogeno e ossigeno. + Esplora ulteriormente

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