I catalizzatori sono spesso materiali solidi la cui superficie viene a contatto con gas o liquidi, consentendo così determinate reazioni chimiche. Tuttavia, ciò significa che tutti gli atomi del catalizzatore che non sono sulla superficie non hanno alcuno scopo reale. Pertanto, è importante produrre materiali estremamente porosi, con una superficie quanto più ampia possibile per grammo di materiale catalizzatore.

Gli scienziati della TU Wien (Vienna), insieme ad altri gruppi di ricerca, hanno ora sviluppato un nuovo metodo per produrre strutture spugnose altamente attive con porosità su scala nanometrica. La svolta decisiva è stata raggiunta attraverso un processo in due fasi:vengono utilizzate strutture metallo-organiche (MOF), che contengono già molti piccoli fori. Quindi, viene creato un diverso tipo di buchi:questi buchi artificiali fungono da percorso ad alta velocità per le molecole. Ciò ha permesso di battere i precedenti record di attività nella scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Nature Communications .

Una spugna su scala nanometrica

"Le strutture in metallo-organico sono un'entusiasmante classe di materiali multifunzionali", afferma Shaghayegh Naghdi, l'autore principale dello studio. "Sono composti da minuscoli cluster metallo-ossigeno che sono collegati con piccole molecole organiche in reti ibride altamente porose. All'esterno vediamo un materiale solido, tuttavia, su scala nanometrica ha molto spazio aperto che offre le più grandi aree di superficie specifiche conosciute fino a 7000 m ² per grammo."

Queste caratteristiche lodano i MOF per l'uso nella separazione e stoccaggio del gas, nella purificazione dell'acqua e nella somministrazione di farmaci. Inoltre, la vicinanza su scala atomica di composti molecolari con distinte proprietà chimiche, elettroniche e ottiche li rende anche candidati promettenti per la foto e l'elettrocatalisi.

"Finora, il problema più grande era che il diametro dei pori intrinseci era troppo piccolo per un efficiente ricambio catalitico", afferma il professor Dominik Eder. "Stiamo parlando di pori molto lunghi ed estremamente piccoli di diametro compreso tra 0,5 e 1 nm, che hanno all'incirca le dimensioni di molte piccole molecole. Ci vuole del tempo prima che le molecole di reagente raggiungano i siti attivi all'interno dei MOF, il che rallenta il catalitico reazione considerevolmente."

Per superare questa limitazione, il gruppo ha sviluppato un metodo che sfrutta la flessibilità strutturale dei MOF. "Abbiamo incorporato due linker organici strutturalmente simili, ma chimicamente diversi per creare strutture a leganti misti", spiega il dottor Alexey Cherevan.

"A causa della diversa stabilità termica dei due ligandi, siamo stati in grado di rimuovere uno dei ligandi in modo molto selettivo attraverso un processo chiamato termolisi", afferma Shaghayegh Naghdi. In questo modo è possibile aggiungere ulteriori tipi di pori con un diametro fino a 10 nanometri. I nanopori originali del materiale sono integrati da pori "a frattura" interconnessi, che possono fungere da connessione ad alta velocità per le molecole attraverso il materiale.

Sei volte più reattivo

Il gruppo dell'IMC ha collaborato con i colleghi dell'Università di Vienna e del Technion in Israele e ha utilizzato una pletora di tecniche sperimentali e teoriche all'avanguardia per caratterizzare completamente i nuovi materiali, che sono stati anche testati per l'H_{2 Evoluzione. L'introduzione di pori di tipo fratturato potrebbe aumentare di sei volte l'attività catalitica, il che pone questi MOF al primo posto tra i migliori fotocatalizzatori attualmente per la produzione di idrogeno.}

The greatest benefits introducing larger pores are expected in liquid-phase applications, particularly involving the adsorption, storage and conversion or larger molecules, such as for example in the fields of drug delivery and wastewater treatment.

This new process also provides additional benefits for photo/electrocatalytic applications:"The selective removal of ligands introduces unsaturated metal sites that can serve as additional catalytic reaction centers or adsorption sites. We expect that these sites will affect the reaction mechanism and thus the product selectivity of more complex catalytic processes," explains Prof. Eder. The team is currently testing this hypothesis with MOFs for the photocatalytic conversion of CO₂ into sustainable fuels and commodity chemicals. There is also an interest from the chemical industry in these catalysts for aiding a potential replacement of energy-demanding thermal catalytic processes with greener photocatalytic processes at low temperatures and ambient conditions.

The new method is highly versatile and can be applied to a variety of MOF structures and applications. "Since we currently know of about 99.000 synthesized MOFs and MOF-type structures," says Shaghayegh Naghdi, "there is actually a lot of work waiting for us in the future." + Esplora ulteriormente

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