A una settimana dall’assegnazione dei prestigiosi premi dell’Accademia di Svezia, si scalda il totoNobel. Per la chimica, secondo le previsioni elaborate da Thomson Reuters sulla base delle pubblicazioni su riviste specializzate, nelle prime posizioni ci sarebbero Susumi Kitagawa, dell’università di Kyoto, e Omar Yaghi, dell’Università di California Los Angeles: a loro si deve il progetto e lo sviluppo di nuovi composti chimici denominati MOF (Metal Organic Frameworks). Abbiamo chiesto a Lucio Forni, chimico fisico presso l’Università degli Studi di Milano, di spiegarci cosa sono i MOF e perché sono così interessanti.
Uno dei principali inconvenienti dell’uso dell’idrogeno come vettore energetico è la bassissima densità energetica del gas a pressione atmosferica e temperatura ambiente. Nel tentativo di superare questo ostacolo sono oggetto di assiduo studio presso numerosi gruppi di ricerca nuovi composti chimici: in particolare alcuni MOF (Metal Organic Frameworks) si sono dimostrati molto interessanti quali materiali per lo stoccaggio (accumulo) e successivo rilascio di quantità considerevoli di gas, in particolare di idrogeno.
I MOF sono composti cristallini costituiti da ioni o gruppi di ioni metallici coordinati con molecole organiche rigide, dette leganti, in modo da formare strutture mono-, bi- o tri-dimensionali porose. La natura degli ioni metallici e delle molecole organiche permette di definire le dimensioni e la forma dei pori. I MOF vengono preparati quasi esclusivamente facendo crescere lentamente i cristalli da una soluzione calda del precursore metallico, (per esempio un nitrato) e del legante (per esempio un acido bicarbossilico), talvolta in presenza di un agente che faciliti la formazione della struttura cristallina desiderata (per esempio un solvente organico compatibile con l’acqua). La sintesi può essere accelerata mediante l’uso di microonde.
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I MOF suscitano interesse per la loro area superficiale specifica eccezionalmente alta e per la loro struttura chimicamente governabile in modo relativamente semplice. Essi possono essere considerati come una struttura porosa tridimensionale, nella quale l’idrogeno si accumula per adsorbimento sulla sua superficie. Inoltre essi possiedono una capacità di accumulo-rilascio completamente reversibile, perché il meccanismo di adsorbimento è quasi esclusivamente di tipo fisico, cioè esente da barriere energetiche di attivazione dello stesso.
La capacità di stoccaggio dei MOF è limitata solo dal valore della densità dell’idrogeno in fase liquida, poiché i vantaggi consentiti possono essere conseguiti solo se l’idrogeno è in fase gassosa. La quantità di idrogeno adsorbibile sulla superficie dei MOF aumenta al diminuire della temperatura e all’aumentare della pressione del gas. Tuttavia, per l’uso in un veicolo mosso da celle a combustibile alimentate da idrogeno, si richiede che i MOF operino efficacemente a temperatura ambiente o vicina all’ambiente e a pressione tra 1 e 100 bar e il Dipartimento dell’Energia americano (DOE) ha definito obiettivi specifici, scalati nel tempo, che devono essere rispettati per l’introduzione dei MOF nell’uso pratico.
Gli obiettivi 2010 del DOE per lo stoccaggio dell’idrogeno sono: 1) capacità di almeno 45 g di idrogeno per litro; 2) tempo di ricarica non superiore a 10 min; 3) durata di almeno 1000 cicli di carico-scarico; 4) temperatura fra 30 e 5 °C. A livello di laboratorio, il più efficiente sinora si è dimostrato il MOF-177, che con un’area superficiale specifica di poco più di 4500 m2/g, permette di stoccare 32 g/litro (1,23% in peso) a 1 bar e 77 K.
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Attualmente la ricerca per lo stoccaggio di idrogeno a temperatura ambiente e pressione ragionevole vede una competizione tra la massimizzazione della capacità e il mantenimento di una velocità ragionevole di scarico, sempre conservando l’integrità della struttura adsorbente per un numero sempre più alto di cicli di carico-scarico. Inoltre spesso i MOF sono sensibili all’aria e quindi possono richiedere contenitori speciali, che possono far crescere i costi di una eventuale applicazione.
La densità di accumulo dei gas nei MOF dipende dalle dimensioni dei pori e calcoli riferiti a materiali idealmente omogenei hanno mostrato che la massima capacità a temperatura ambiente si ha per i materiali con pori di 0,7 nanometri, per i quali due strati di idrogeno si adsorbono sulle superfici affacciate del poro, senza che rimanga alcuno spazio tra di essi. Anche la presenza di difetti strutturali può influire negativamente sul comportamento dei MOF come adsorbenti, poiché i pori parzialmente collassati possono bloccare l’accesso del gas e i difetti nel reticolo cristallino possono creare la formazione di gruppi più intricati di nuovi pori.
Infine i MOF presentano numerose altre possibili applicazioni, diverse dallo stoccaggio di gas, come la purificazione di gas, la separazione di miscele di gas nei loro componenti e l’uso come catalizzatori per alcune reazioni chimiche.