Four Novel Metal Complex Borates: Syntheses, Crystal Structures, and ORR Electrocatalysis
Questo studio riporta la sintesi e la caratterizzazione strutturale di quattro nuovi borati a complesso metallico caratterizzati da distinti legami N-M-O-B a idrogeno o covalenti che, mediante un trattamento termico controllato, generano efficienti elettrocatalizzatori a metalli non preziosi per la reazione di riduzione dell'ossigeno in mezzi alcalini.
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Immaginate un mondo in cui l'elettricità nel vostro telefono o il carburante nel motore di un'auto potessero essere generati da una reazione chimica pulita come il respiro. Questo è il sogno che sta alla base delle celle a combustibile e delle batterie metallo-aria, dispositivi che promettono di alimentare il nostro futuro senza l'inquinamento pesante derivante dalla combustione dei combustibili fossili. Tuttavia, questi dispositivi hanno un collo di bottiglia ostinato: un processo chimico chiamato Reazione di Riduzione dell'Ossigeno (ORR). Pensate all'ORR come al "guardiano" che permette all'ossigeno di entrare nella batteria per rilasciare energia. Per molto tempo, le uniche chiavi in grado di aprire questo cancello in modo efficiente erano fatte di platino, un metallo raro e incredibilmente costoso. Gli scienziati sono stati alla ricerca di un'alternativa più economica e abbondante che funzionasse altrettanto bene. Entrano in gioco i borati. Potreste conoscere il boro dal detersivo per il bucato o dai colliri, ma nel mondo della scienza dei materiali, il boro è uno "sciamano" capace di cambiare forma. Ama legarsi con l'ossigeno per formare piccoli e intricati cluster che possono agire come impalcature. Quando gli scienziati mescolano queste impalcature di boro con complessi metallici (pensateli come atomi di metallo vestiti con costumi organici), creano una nuova famiglia di materiali che potrebbero proprio essere il biglietto d'oro per un accumulo di energia economico e ad alte prestazioni.
In questo studio, un team di ricercatori della Guangdong University of Technology ha deciso di costruire quattro nuove versioni di queste strutture "borato-metallo" per vedere se potessero essere trasformate in catalizzatori super efficienti. Non si sono limitati a mescolare sostanze chimiche; hanno giocato con l'architettura. Hanno creato quattro composti distinti, ciascuno con un diverso centro metallico (Nichel, Rame, Cobalto o Gallio) e diversi ligandi organici (i "costumi" che i metalli indossano). L'obiettivo era vedere come la specifica disposizione di questi atomi influenzasse la capacità del prodotto finale di gestire la Reazione di Riduzione dell'Ossigeno.
I ricercatori hanno sintetizzato questi quattro nuovi cristalli in condizioni relativamente blande, come una ricetta cotta lentamente piuttosto che un'esplosione ad alta pressione. Hanno scoperto che, sebbene tutti e quattro i composti fossero costruiti con ingredienti simili, i loro schemi interni erano quite diversi. Due di essi, le versioni con Nichel e Rame, erano tenuti insieme principalmente da "stretti di mano" tra molecole chiamati legami a idrogeno. Gli altri due, caratterizzati da Cobalto e Gallio, erano molto più strettamente intrecciati, con gli atomi metallici che erano effettivamente legati covalentemente (come una colla permanente) ai cluster di boro-ossigeno. Questo rendeva le strutture di Cobalto e Gallio più rigide e stabili.
Una volta ottenuti i loro cristalli, il team li ha sottoposti a un test di "trattamento termico". Hanno preso i cristalli, li hanno mescolati con il carbonio e li hanno cotti in un forno a diverse temperature per trasformarli in catalizzatori. Era un po' come cuocere i biscotti: se non li cuoci abbastanza a lungo, rimangono pastosi e non funzionano; se li bruci, diventano cenere. I ricercatori hanno scoperto che, per tutti e quattro i tipi di cristalli, la "cottura perfetta" avveniva esattamente a 750 °C. A questa temperatura, i materiali si trasformavano nei migliori performer.
Quando hanno testato questi nuovi catalizzatori in un ambiente di laboratorio utilizzando una soluzione alcalina standard, i risultati sono stati promettenti. La prestazione è stata misurata tramite qualcosa chiamato "potenziale di semionda" (un numero che indica quanto facilmente avviene la reazione; più alto è il numero, meglio è). Il catalizzatore a base di Nichel ha raggiunto 0,73 V, quello di Rame ha toccato 0,76 V, e il Gallio è riuscito a raggiungere 0,78 V. Tuttavia, la stella dello spettacolo è stato il catalizzatore a base di Cobalto, che ha raggiunto un potenziale di semionda di 0,81 V. Ciò suggerisce che il materiale di Cobalto, con i suoi unici legami covalenti e la sua struttura specifica, sia stato il più efficace nell'aiutare l'ossigeno a reagire.
L'articolo suggerisce che il "tocco segreto" risieda nel modo in cui il metallo e il boro sono connessi. I composti di Cobalto e Gallio, che possedevano quei forti ponti chimici permanenti tra il metallo e la struttura di boro, sembravano resistere meglio durante il processo di riscaldamento e creavano condizioni migliori per la reazione. Sebbene questi nuovi materiali non siano ancora pronti per sostituire il platino nel vostro telefono, lo studio dimostra che i materiali derivati dal borato sono un serio contendente. Offrono un modo per costruire catalizzatori efficienti a base di metalli non preziosi che potrebbero un giorno rendere la tecnologia dell'energia pulita molto più economica e accessibile per tutti.
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