I nanoibridi a base di poliossometallato (POM) offrono potenzialmente un cambiamento radicale in termini di sostenibilità in un’ampia varietà di settori, ma la ricerca sulle sostanze è agli inizi. Un gruppo di ricercatori ha prodotto un'analisi completa dei progressi del settore e delle sfide ancora da superare.
Una nuova classe di materiali ibridi su scala nanometrica ha il potenziale per migliorare la sostenibilità dei sistemi energetici, dei trasporti, dei biosensori, della purificazione dell’acqua e persino della stampa 3D, ma il campo è ancora molto giovane. Un gruppo di ricercatori ha ora prodotto una panoramica dettagliata dello stato di avanzamento dei nanoibridi a base di poliossometallato (POM), tracciando un percorso per la ricerca in questo regno all'avanguardia della scienza dei materiali.
Un documento di revisione che descrive in dettaglio i loro risultati è stato pubblicato sulla rivista Polyoxometalates il 30 settembre.
Negli ultimi decenni è emersa una nuova classe di materiali su scala nanometrica, o più semplicemente di nanomateriali, in cui una singola unità ha dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri. Su questa scala, i materiali possono mostrare proprietà fisiche, chimiche e biologiche uniche e spesso migliorate che differiscono dai materiali più massicci o "sfusi". Ad esempio, i materiali su scala nanometrica possono avere un rapporto area superficiale/volume più elevato, che può aumentare la loro reattività e la capacità di catalizzare (avviare o accelerare) reazioni chimiche.
Forse il nanomateriale più noto è il grafene, ma i nanomateriali possono essere costituiti da un’ampia gamma di sostanze, inclusi metalli, semiconduttori, ceramica e polimeri. Più recentemente, i ricercatori hanno sviluppato anche nanoibridi. Si tratta di sostanze che combinano due o più tipi diversi di nanomateriali.
Di particolare interesse per i ricercatori, in particolare quelli che mirano a rendere la produzione industriale più sostenibile, sono i nanoibridi a base di poliossometallato (POM), che hanno proprietà catalitiche uniche all’interno delle reazioni fotoelettrochimiche, quelle che generano elettricità dalla luce o dividono l’acqua in idrogeno e ossigeno prodotti in modo pulito. . Ciò rende i nanoibridi POM candidati promettenti per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui la conversione e lo stoccaggio di energia pulita, nonché sensori ed elettronica che non dipendono dall'uso di fonti di energia sporche.
I POM sono una classe molto ampia di composti inorganici economici e stabili costituiti da ioni metallici, tipicamente metalli di transizione come tungsteno o molibdeno, collegati insieme da atomi di ossigeno per formare una rete tridimensionale. I POM sono in genere molecole grandi e complesse che possono avere un'ampia gamma di forme e dimensioni e mostrano una varietà di proprietà interessanti e utili.
"Negli ultimi anni c'è stata un'esplosione di ricerca sui nanoibridi POM, quindi abbiamo pensato che fosse giunto il momento di fare una pausa e produrre una panoramica dello stato di avanzamento al fine di identificare potenziali lacune e controversie nella ricerca", ha affermato Guangjin Zhang, autore corrispondente dell'articolo di revisione e chimico presso il Key Laboratory of Green Process and Engineering delle Accademie delle scienze cinesi.
Gli articoli di revisione scientifica sono una parte essenziale del processo scientifico, mirando a riassumere e valutare criticamente lo stato attuale delle conoscenze su un particolare argomento in un dato campo della scienza, valutare la qualità e l'affidabilità della letteratura esistente e suggerire direzioni di ricerca future.
Gli autori della revisione concludono che ciò che rende i POM così attraenti è il modo in cui possono migliorare le proprietà catalitiche fotoelettrochimiche del materiale nanoibrido risultante. Questo perché i POM possono agire sia come accettori che come donatori di elettroni, il che consente loro di facilitare il trasferimento di carica elettrica e migliorare l’efficienza delle reazioni rilevanti. Meglio ancora, i POM possono anche agire come catalizzatori stessi, migliorando ulteriormente le proprietà catalitiche del materiale nanoibrido.
La revisione spiega anche la differenza tra nanoibridi basati su POM binari e ternari, i primi costituiti da due materiali funzionali su scala nanometrica e i secondi costituiti da tre. I nanoibridi binari combinano POM e un metallo, POM e un semiconduttore, o POM e un nanocarbonio, mentre i nanoibridi ternari combinano un POM, un metallo e un nanocarbonio.
Gli autori notano che i nanoibridi binari sono stati ampiamente studiati e hanno mostrato risultati promettenti in una varietà di applicazioni, tra cui fotocatalisi, celle a combustibile e biosensori. Nel frattempo, i nanoibridi ternari hanno il potenziale per combinare le proprietà uniche di tre diversi materiali, ottenendo funzionalità e versatilità ancora maggiori.
Una delle aree di ricerca più promettenti sui nanoibridi di entrambi i tipi basati su POM deriva dal loro utilizzo nella fotocatalisi, ovvero utilizzando la luce per guidare le reazioni chimiche. I nanoibridi basati su POM hanno il potenziale per migliorare l’efficienza delle reazioni fotocatalitiche, che potrebbero avere importanti applicazioni in campi come la conversione dell’energia solare e il risanamento ambientale. I nanoibridi potrebbero trovare applicazione anche nelle celle a combustibile, ovvero dispositivi che convertono l’energia chimica in energia elettrica, come ad esempio nei trasporti alimentati a idrogeno. I nanoibridi basati su POM hanno il potenziale per migliorare l'efficienza e la durata delle celle a combustibile.
Un’altra area non correlata all’energia sostenibile in cui i nanoibridi basati su POM si dimostrano molto promettenti riguarda la loro applicazione nei biosensori, dispositivi che rilevano e misurano sostanze biologiche o chimiche in un campione tramite cambiamenti nei segnali elettrici risultanti da reazioni biochimiche. L'elevata area superficiale dei nanoibridi e la capacità di immobilizzare le biomolecole, tra le altre proprietà, li rendono particolarmente adatti per l'uso in tali dispositivi.
I ricercatori hanno già utilizzato nanoibridi basati su POM per sviluppare biosensori in grado di rilevare sostanze come la simazina e il perossido di idrogeno con elevata sensibilità. Questi biosensori hanno il potenziale per essere utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni, dalla diagnostica medica al monitoraggio ambientale. Altre applicazioni emergenti includono la purificazione dell'acqua, i semiconduttori e la stampa 3D.
Una delle principali sfide che i ricercatori in questo campo devono affrontare è che, sebbene i nanoibridi ternari basati su POM offrano prestazioni ancora più migliorate, per il momento la ricerca è ancora agli inizi, con una comprensione più limitata delle proprietà e del comportamento dei nanoibridi ternari. Le loro potenziali applicazioni sono ancora in fase di studio e potrebbero esserci sfide legate allo sviluppo e all'ottimizzazione dei nanoibridi ternari per applicazioni specifiche. Inoltre, per tutti i tipi di nanoibridi POM, la solubilità delle molecole POM negli ibridi può degradarne le prestazioni come catalizzatori. Anche la loro dispersione non uniforme su e nelle sostanze conduttrici rimane un problema persistente e, quando combinate con metalli o ossidi metallici, il controllo delle dimensioni e della forma delle particelle è difficile.
Gli autori sostengono che una maggiore attenzione alla comprensione fondamentale della relazione tra la struttura degli ibridi e la loro attività chimica dovrebbe aiutare a superare questi ostacoli verso applicazioni più ampie e richiedono una più ampia cooperazione tra diverse discipline per farlo.
Ulteriori informazioni: Shuangshuang Zhang et al, Progettazione e sintesi di nuovi nanoibridi binari e ternari a base di poliossometallati per la conversione e lo stoccaggio di energia, Poliossometallati (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140037
Fornito dalla Tsinghua University Press
