I MOFs: materiali porosi

Nell’ambito delle ricerche su nuovi materiali che hanno potenziali applicazioni nei campi più svariati sono stati ottenuti i MOFs acronimo di Metal-Organic Frameworks.

Queste sostanze sono materiali cristallini porosi caratterizzati da ioni, gruppi di ioni metallici o cluster metallici coordinati con opportuni leganti bi o polidentati detti linkers.

La capacità di adsorbimento da parte di questo tipo di molecole dotate di elevata stabilità termica  è superiore a quella dei materiali comunemente usati come carbone attivo e zeoliti.

La struttura  di un MOFs è costituita da una successione del tipo –L-M-L- dove M è il nucleo metallico e L è il legante uniti tra loro da legami covalenti.

La ricerca su questo nuovo tipo di materiali costituisce uno degli ambiti della ricerca chimica più promettente del XXI secolo.

Questi materiali sono caratterizzati da una porosità tale che lo spazio vuoto può arrivare, per il momento, fino al 90% del volume complessivo e quindi hanno una elevatissima area superficiale disponibile.

La possibilità di poter progettare un numero praticamente illimitato di composti in modo da poter regolare la dimensione dei pori e le funzionalità chimiche delle loro superfici e quindi la capacità di adsorbimento di specie chimiche diverse costituiscono il punto di forza di questi materiali.

In genere vengono usati ioni di metalli di transizione con numero di coordinazione che, in genere varia tra 2 e 7 mentre i linkers di natura organica sono costituiti da specie contenenti anioni carbossilato o da eterocicli azotati come triazoli, bipiridine e imidazoli che andranno a costituire la dimensione delle celle porose.

Le condizioni di reazione dipendono dal metallo usato e dal legante e le sintesi possono essere realizzate sia con classici metodi sintetici che con tecniche che si avvalgono di tecniche quali ultrasuoni e microonde.

Gli utilizzi dei MOFs le cui proprietà chimiche delle superfici interne possono essere modificate dopo la sintesi con opportuni gruppi funzionali sono molteplici ma tra quelli più indagati è la possibilità di immagazzinamento di idrogeno, metano, idrocarburi e biossido di carbonio oltre che per processi di separazione in campo industriale.

Un tipico esempio di utilizzo dei MOFs è fornito dal MOF-177 costituito dallo ione poliatomico [Zn4O]+ legato al benzenetribenzoato che costituisce un materiale per immagazzinare idrogeno gassoso. Attualmente la principale difficoltà nell’utilizzo dell’idrogeno come sistema di stoccaggio è dato dal fatto che le trasformazioni energia→ idrogeno→ energia sono costose e tecnologicamente complesse.

Lo stoccaggio dell’idrogeno costituisce una sfida stante la necessità di poter disporre del gas nelle celle a combustibile e la maggior parte delle ricerche che hanno ipotizzato l’utilizzo di idruri o di alanati ed in particolare dell’alanato di sodio. Quest’ultimo rilascia idrogeno tramite una serie di reazioni di decomposizione e ricombinazione secondo la reazione:

6 NaAlH4 → 2 Na3AlH6 + 2 Al + 3 H2

2 Na3AlH6  → 6 NaH + 2 Al + 3 H2

Questi composti  tuttavia non si sono rivelati particolarmente utili per applicazioni commerciali e la ricerca si è pertanto rivolta ad altre specie.

Nello specifico, a titolo di esempio, il MOF-177 viene sintetizzato a partire da acido feniltribenzoico

acido feniltribenzoico

e acetato di zinco biidrato Zn(CH3COO)2∙ 2 H2O con dietilformammide (CH3CH2)2NC(H)=O. La soluzione viene mescolata per 3 ore e successivamente filtrata e il solido trattato con cloroformio  per rimuovere le impurità.

I MOFs, sono stati introdotti negli anni ’90 e da allora la ricerca è aperta e finalizzata a trovare nuovi materiali e nuove applicazioni che vanno dalle spugne molecolari, ai catalizzatori, a scopi farmaceutici per la formulazione di farmaci a rilascio prolungato o nel settore dell’energia solare proveniente da impianti fotovoltaici.

Contrariamente alle zeoliti che furono prima rinvenute in natura in alcuni minerali i MOFs sono dapprima stati sintetizzati e solo da pochissimi giorni gli scienziati hanno trovato che essi sono presenti in taluni minerali rari rinvenuti nelle miniere di carbone siberiane sotto forma di stepanovite e zhemchuzhnikovite.

 

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Author: Chimicamo

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