I ricercatori dell’Università di Kyushu hanno sviluppato un vettore energetico a idrogeno per affrontare alcuni dei maggiori ostacoli nel percorso verso un’economia sostenibile dell’idrogeno. Come spiegato in un articolo pubblicato su JACS Au , questo nuovo composto può "immagazzinare" in modo efficiente gli elettroni dell'idrogeno allo stato solido per utilizzarli successivamente nelle reazioni chimiche.
L’idrogeno è una fonte promettente di energia pulita con molte potenziali applicazioni non sfruttate nell’industria e nella vita di tutti i giorni. A differenza dei combustibili convenzionali, l’idrogeno può essere utilizzato per generare elettricità senza produrre gas serra. Può anche essere utilizzato in varie reazioni chimiche come l'idrogenazione, cioè come fonte di ioni idruro o elettroni dell'atomo di idrogeno.
Tuttavia, lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno allo stato gassoso o liquido è estremamente impegnativo e richiede attrezzature e sistemi di raffreddamento costosi.
Il professor Seiji Ogo del WPI-International Institute for Carbon-Neutral Energy dell'Università di Kyushu (WPI-I 2 CNER) ha sviluppato soluzioni innovative a questi problemi. Nel loro studio più recente, Ogo e il suo collega dell'Università di Kindai si sono ispirati alla natura per sviluppare un composto a base di iridio con proprietà peculiari e straordinariamente utili.
"Abbiamo esplorato attivamente i vettori energetici dell'idrogeno che possono essere facilmente sintetizzati e utilizzati così come sono. Questi composti si basano sull'enzima idrogenasi presente in natura, che può catalizzare l'idrogeno in protoni ed elettroni a temperatura ambiente", spiega Ogo. "Un'idea centrale del nostro approccio che ha portato a una svolta decisiva è stata quella di considerare l'idrogeno non come una fonte di ioni idruro o atomo di idrogeno con carica negativa, ma come elettroni."
Dopo aver esaminato attentamente molte combinazioni di ioni metallici e ligandi organici, il gruppo di ricerca ha creato un composto a base di iridio che, quando esposto all'idrogeno, lo incorpora nel centro metallico dopo aver perso uno ione ioduro. In questo modo, il composto proposto può estrarre e immagazzinare efficacemente gli elettroni dall'idrogeno.
Questi cambiamenti sono facilmente reversibili nelle giuste condizioni e gli elettroni immagazzinati possono essere facilmente estratti e utilizzati nelle reazioni chimiche per sintetizzare molecole preziose. In questo studio, i ricercatori si sono concentrati sull'utilizzo degli elettroni immagazzinati nel composto per catalizzare le reazioni di ciclopropanazione.
I ciclopropani sono molecole con una struttura ad anello di carbonio a tre membri e rappresentano importanti unità strutturali in vari farmaci e composti organici. Tuttavia, le ciclopropanazioni convenzionali hanno prodotto grandi quantità di metalli di scarto come sottoprodotti. Il vettore energetico proposto, l'idrogeno, aggira completamente questo problema.
"Le reazioni di ciclopropanazione eseguite nel nostro studio utilizzano idrogeno anziché metalli come riducente e quindi non producono rifiuti metallici. Questo è un grande vantaggio del composto proposto rispetto alle tecniche consolidate", osserva Ogo.
In particolare, questo studio segna anche la prima volta che una reazione tra idrogeno e alcheni, idrocarburi contenenti un doppio legame di carbonio, produce ciclopropani anziché gli alcani molto più semplici.
Dopo test approfonditi, il team ha scoperto che il vettore energetico proposto può catturare gli elettroni dall'idrogeno e immagazzinarli per oltre tre mesi allo stato solido a temperatura ambiente.
Nel lavoro futuro, Ogo e colleghi intendono concentrarsi sullo sviluppo di un vettore energetico simile utilizzando elementi del gruppo del ferro, che sono più economici e più abbondanti dell’iridio. Promuovendo le collaborazioni tra industria e mondo accademico, i loro prossimi sforzi mireranno a sviluppare soluzioni scalabili per i problemi pratici riguardanti le future economie dell'idrogeno.
"Crediamo sinceramente che il risultato attuale contribuirà alla realizzazione di una società a zero emissioni di carbonio", conclude Ogo.
Ulteriori informazioni: Seiji Ogo et al, Ciclopropanazione utilizzando elettroni derivati dall'idrogeno:reazione di alcheni e idrogeno senza idrogenazione, JACS Au (2024). DOI:10.1021/jacsau.4c00098
Fornito dall'Università di Kyushu
