NANOCRISTALLI E METAL-ORGANIC FRAMEWORK

SINTESI E STRUTTURA DEI MOF

NANOCRISTALLI

Lo stoccaggio dell’idrogeno quale vettore energetico prevede l’impiego di idruri di metalli e leghe metalliche. Tale modalità, pur presentando notevoli vantaggi, ha finora avuto un limitato successo a causa della limitata capacità di accumulo in peso e delle lente cinetiche di adsorbimeno e desorbimento del gas. La possibilità di ottenere metalli e leghe metalliche in forma nanocristallina si rivela di crescente interesse per l’impiego degli idruri quali utili materiali per l'immagazzinamento dell'idrogeno. Le dimensioni estremamente ridotte del materiale nanocristallino inducono brevi distanze di diffusione degli atomi di idrogeno nel cristallo, conferendo al materiale elevate proprietà in termini di cinetiche.
Cella elementare del MOF5
I materiali nanocristallini mostrano una migliorata capacità di adsorbimento di idrogeno da parte della microstruttura ed una elevata resistenza negli esperimenti di adsorbimento e desorbimento ciclici. Tali effetti sono attribuibili alle esaltate proprietà catalitiche del materiale nanocristallino, unitamente alla microstruttura del composito a cui da luogo. Le eccellenti proprietà dei materiali nanocristallini sono il risultato dell’azione combinata di molti fattori, tra cui: la composizione (possibilità di formare leghe), le proprietà superficiali, le dimensioni dei grani e la microstruttura. Dei ricercatori italiani stanno cercando di sviluppare idruri metallici nanocristallini intercalanti tra le lamelle di strutture argillose al fine di migliorare le proprietà operative degli idruri esistenti e creare così una nuova generazione di materiali in cui le caratteristiche siano opportunamente progettate per le specifiche richieste applicativi. Studi condotti sull’immobilizzazione di palladio tra le lamelle di minerali argillosi hanno dimostrato l’estensivo adsorbimento di idrogeno a basse pressioni.La ricerca in questa direzione deve mirare a combinare le proprietà degli idruri metallici nanocristallini con le peculiarità dell’immobilizzazione in argille e investigare le proprietà catalitiche del materiale e dipendenza del processo di uptake di idrogeno in funzione di:
• dimensioni dei nanocristalli
• condizioni preparative delle nanostrutture
• diversi metodi di immobilizzazione all’interno di argille.
I sistemi nanostrutturati costituiscono una classe di materiali dalle caratteristiche e proprietà uniche e originali dal cui impiego il settore della conversione dell’energia e dello stoccaggio di idrogeno è destinato a trarre notevoli benefici.

MOF: METAL-ORGANIC FRAMEWORK

I materiali porosi che presentano un’ area superficiale molto estesa si sono rivelati molto interessanti per la loro capacità di stipare molecole gassose al loro interno e quindi hanno permesso di poterli impiegare nello stoccaggio dei gas. La zeolite Y fino a poco tempo fa deteneva il record di area superficiale: un grammo di tale materiale corrisponde ad un’area superficiale di 904 m2. Nel 1999, Yaghi(uno dei più noti studiosi di strutture metallo-organiche) e il suo gruppo di ricerca ha scoperto una classe di strutture chiamate strutture metallo-organiche (metal organic-frameworks, o MOF), che posso presentare un’area superficiale superiore a 3000 m2 per grammo. La ricerca su questi materiali ha fornito un'ampia gamma di MOF con varie caratteristiche. Lo stesso gruppo di ricerca sta lavorando per creare nuovi MOF con migliore area superficiale, ad esempio il MOF-177 presenta la maggiore area superficiale mai registrata con nessun’altra struttura cristallina.molti ncentri di riceerca anche in Italia stanno cercando il modo di ottimizzare le proprietà di questa classe di materiali. La necessità di studiare queste strutture è nata per risolvere il problema di alimentare un'automobile per 500 chilometri senza dover fare rifornimento; mentre altre tecniche sfruttano temperature molto basse o pressioni molto elevare, Yaghi è riuscito a creare un materiale poroso che attrae l'H2 e che consente di stipare più molecole in un volume molto piccolo. Di questi materiali è stata anche valutata la densità la quale risulta essere minore di 0.21 g cm-3,tale valore è il più basso di qualunque altro materiale cristallino. Dai test condotti è emerso che a basse pressioni e a temperature di 78 K, il MOF-177, assorbe circa 1290 mg di azoto per grammo di materiale; questi risultati sono di buon auspicio per un possibile impiego nello stoccaggio dell’ idrogeno. Yaghi in oltre tiene a precisare che con i MOF, l’idrogeno viene assorbito fisicamente e non chimicamente, e ciò permetterà di liberarlo senza un gran dispendio di energia; il problema degli idruri invece è che l’idrogeno è legato chimicamente al metallo il che richiede di pressurizzare il materiale per caricarlo di idrogeno e di riscaldarlo per liberare il combustibile”.


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