I ricercatori sviluppano un complesso di rutenio (III) altamente simmetrico con sei gruppi imidazolo-imidazolato per un'efficiente conduzione protonica ad alta temperatura nelle celle a combustibile. Credito:Università delle scienze di Tokyo
Mentre il mondo si sta muovendo verso fonti di energia più rispettose dell'ambiente e sostenibili, le celle a combustibile stanno ricevendo molta attenzione. Il vantaggio principale delle celle a combustibile è che utilizzano l'idrogeno, un combustibile pulito, e producono solo acqua come sottoprodotto mentre generano elettricità. Questa nuova e pulita fonte di elettricità potrebbe sostituire le tradizionali batterie agli ioni di litio, che attualmente alimentano tutti i moderni dispositivi elettronici.
La maggior parte delle celle a combustibile utilizza una membrana Nafion, una membrana ionica a base di polimeri sintetici, che funge da elettrolita solido conduttore di protoni a base d'acqua. L'uso dell'acqua come mezzo di conduzione protonica, tuttavia, crea un grave inconveniente per la cella a combustibile, ovvero l'impossibilità di funzionare correttamente a temperature superiori a 100°C, temperatura alla quale l'acqua inizia a bollire, portando ad un calo della conducibilità protonica . Pertanto, sono necessari nuovi conduttori di protoni in grado di trasferire i protoni in modo efficiente anche a temperature così elevate.
In una recente scoperta, un team di ricercatori dal Giappone, guidato dal Prof. Makoto Tadokoro della Tokyo University of Science (TUS), ha riportato un nuovo conduttore protonico ad alta temperatura a base di complesso metallico imidazolo-imidazolato che mostra un'efficiente conduttività protonica anche a 147° C. Il team di ricerca comprendeva il dott. Fumiya Kobayashi del TUS, il dott. Tomoyuki Akutagawa e il dott. Norihisa Hoshino dell'Università di Tohoku, il dott. Hajime Kamebuchi dell'Università di Nihon, il dott. Motohiro Mizuno dell'Università di Kanazawa e il dott. Jun Miyazaki dell'Università di Tokyo Denki.
"L'imidazolo, un composto organico contenente azoto, ha guadagnato popolarità come conduttore di protoni alternativo per la sua capacità di funzionare anche senza acqua. Tuttavia, ha una velocità di trasferimento di protoni inferiore rispetto al Nafion usato convenzionalmente e fonde a 120°C. Per superare questi problemi, abbiamo introdotto sei frazioni di imidazolo in uno ione rutenio (III) per progettare un nuovo complesso metallico che opera come un vettore multiprotonico e ha stabilità alle alte temperature", spiega il prof. Tadokoro quando gli è stato chiesto il motivo del loro studio, che era pubblicato su Chemistry—A European Journal e in primo piano sulla copertina del diario.
In un nuovo studio, ricercatori giapponesi hanno sviluppato un nuovo complesso ionico di rutenio (III) con sei gruppi imidazolo/imidazolato che possono operare come vettori multiprotonici e mostrano stabilità alle alte temperature. L'immagine in alto mostra la modalità di trasporto del protone al di sotto di 147°C, che prevede rotazioni localizzate individuali dei sei singoli gruppi imidazolici e salti di protoni ad altri complessi di rutenio (III). L'immagine in basso mostra la modalità di trasporto del protone sopra i 147°C, dove l'intera molecola subisce una rotazione. Credito:Makoto Tadokoro della Tokyo University of Science
Il team ha progettato una nuova molecola in cui tre imidazolo (HIm) e tre imidazolato (Im - ) i gruppi erano attaccati a uno ione centrale di rutenio (III) (Ru 3+ ). Il risultante cristallo molecolare singolo era altamente simmetrico e somigliava a una forma a "stella". Dopo aver studiato la conduttività protonica di questo complesso metallico di tipo starburst, il team ha scoperto che ciascuno dei sei gruppi imidazolici attaccati al Ru 3+ lo ione funge da trasmettitore di protoni. Ciò ha reso la molecola 6 volte più potente delle singole molecole HIm, che potevano trasportare solo un protone alla volta.
Il team ha anche esplorato il meccanismo alla base della capacità di conduzione protonica ad alta temperatura delle molecole dello starburst. Hanno scoperto che a una temperatura superiore a -70°C, la conduttività protonica risultava da rotazioni localizzate individuali di HIm e Im - gruppi e protoni saltano ad altri Ru(III) complessi nel cristallo tramite legami idrogeno. A temperature superiori a 147°C, tuttavia, la conduttività protonica derivava dalla rotazione dell'intera molecola, che era anche responsabile della superiore conduttività protonica alle alte temperature. Questa rotazione, confermata dal team, utilizza una tecnica chiamata "stato solido 2 spettroscopia H-NMR", ha prodotto un tasso di conducibilità di tre ordini di grandezza maggiore (σ =3,08 × 10 -5 S/cm) rispetto a quello delle singole molecole HIm (σ =10 -8 S/cm).
Il team ritiene che il loro studio potrebbe fungere da nuovo principio guida per gli elettroliti a stato solido a conduzione protonica. Le intuizioni del loro nuovo design molecolare potrebbero essere utilizzate per sviluppare nuovi conduttori di protoni ad alta temperatura e migliorare la funzionalità di quelli esistenti. "Le celle a combustibile sono la chiave per un domani più pulito e più verde. Il nostro studio offre una tabella di marcia per migliorare le prestazioni di queste risorse energetiche a emissioni zero alle alte temperature progettando e implementando conduttori di protoni molecolari in grado di trasferire protoni in modo efficiente a tali temperature", conclude Prof. Tadokoro. + Esplora ulteriormente
