Blog

Aug 08, 2023

GTUB3 è il primo microporoso, metallico

14 dicembre 2022 di Università Tecnica di Berlino I ricercatori della TU Berlin hanno sviluppato un nuovo materiale dalla classe dei composti microporosi con struttura metallo-organica (MOF). Da un lato, tale

14 dicembre 2022

dall'Università Tecnica di Berlino

I ricercatori della TU Berlin hanno sviluppato un nuovo materiale dalla classe dei composti microporosi con struttura metallo-organica (MOF). Da un lato tali composti possono immagazzinare piccole molecole e gas come idrogeno, CO2 o addirittura tossine. D'altro canto, l'ampia superficie risultante dall'elevato volume di pori le rende adatte anche come materiale per elettrodi, ad esempio nei supercondensatori, che possono essere caricati molto più velocemente rispetto alle batterie convenzionali.

Uno studio che descrive questo lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Optical Materials.

Il problema ad oggi è che la maggior parte dei MOF sono pessimi conduttori di elettricità. Il nuovo materiale creato dai ricercatori, chiamato GTUB3, è sia un buon conduttore sia chimicamente e termicamente estremamente stabile. Ciò che lo rende unico è che è anche fotoluminescente, il che significa che si illumina quando viene irradiato dalla luce. Di conseguenza, potrebbe essere utilizzato anche in applicazioni optoelettroniche e celle solari.

Le strutture metallo-organiche, o MOF, sono considerate una delle classi di materiali più interessanti della chimica moderna. Sono costituiti da atomi metallici direttamente legati a molecole organiche. "In passato apprezzavamo queste strutture cristalline solo per la loro bellezza estetica. Alcune ricordano effettivamente le piastrelle marocchine", spiega il dott. Gündoğ Yücesan della Facoltà III di scienze dei processi della TU di Berlino. "Ciò che li rende interessanti oggi sono le numerose cavità che rendono i MOF microporosi un mezzo di conservazione ideale, così come le loro grandi superfici, che facilitano le reazioni."

Soprattutto, grazie alla struttura modulare delle loro molecole, è possibile sviluppare in modo altamente sistematico nuovi composti di questa classe di sostanze.

Le unità edilizie inorganiche, o IBU, sono collegate tra loro tramite puntoni organici a catena lunga, in altre parole, linker. Ciò consente di formare strutture elementari su larga scala, che vengono poi ripetute in strati o impilate come elementi costitutivi per formare cristalli.

Sebbene esistano già più di 100.000 MOF, in alcune aree di questo campo di ricerca si è registrato ancora uno sviluppo limitato. "Soprattutto per quanto riguarda i MOF microporosi contenenti fosforo, di cui finora ce ne sono meno di 50", afferma Yücesan.

“Hanno suscitato il nostro interesse perché i primi MOF di fosforo conosciuti si sono rivelati termicamente e chimicamente molto stabili”. Queste sono proprietà ideali per i materiali degli elettrodi che devono essere in grado di resistere per lunghi periodi negli elettroliti o anche negli acidi, anche quando si surriscalda durante le reazioni.

Il problema principale è che i MOF sono generalmente isolanti, una proprietà di base scadente per gli elettrodi attraverso i quali è richiesto il flusso dei portatori di carica. In risposta, nel 2020 Yücesan e il suo team hanno progettato due MOF microporosi al fosforo con conduttività maggiore, "TUB75" e "TUB40" (dal nome della TU Berlin), lavorando in collaborazione con altre università e istituti di ricerca.

La creazione di GTUB3 ha offerto l'opportunità di onorare il contributo dell'Università Tecnica di Gebze in Turchia. Il nuovo composto contiene oltre all'acido fosfonico i metalli rame e zinco nonché la porfirina, costituita da quattro anelli di carbonio. Tutti questi materiali di partenza sono economici, disponibili in grandi quantità e non tossici per l’uomo e l’ambiente. A differenza dei suoi due predecessori, il semiconduttore GTUB3 è ugualmente conduttivo in tutte e tre le direzioni spaziali e resistente a temperature fino a 400 gradi Celsius.

Yücesan vede un grande potenziale per GTUB3 nel miglioramento dei supercondensatori, come quelli utilizzati per l'accumulo di elettricità a breve termine nel recupero dell'energia di frenata negli autobus e nei treni, nonché in alcune automobili.

Questi supercondensatori sono dispositivi di accumulo di energia elettrochimica con una densità di potenza molto elevata che possono essere caricati molto più velocemente delle batterie convenzionali. Tuttavia, immagazzinano molta meno energia rispetto alle batterie della stessa massa. Nuovi materiali per elettrodi, come GTUB3, hanno lo scopo di ridurre questo divario. "Il nuovo composto è adatto anche per i processi a film sottile spesso utilizzati nell'industria per l'applicazione su substrati", spiega Yücesan.