Un nuovo materiale polimerico versatile
Componente e catturatore di metalli ad alta efficienza per batterie ecologiche
I ricercatori dell'Università di Ulm hanno sviluppato un materiale organico dalle proprietà straordinarie: Il nuovo polimero è estremamente efficace nel recupero di metalli preziosi come l'oro o il palladio dalle soluzioni, nella separazione di semi-metalli tossici e nel rendere le batterie più ecologiche. L'elevato contenuto di zolfo e la struttura a spugna di questo polimero tioortore sono insoliti. I risultati del progetto realizzato nell'ambito del cluster di eccellenza POLiS (Post Lithium Storage) sono stati pubblicati su Angewandte Chemie Novit. Questa nuova rivista pubblica solo lavori eccezionali.
L'illustrazione mostra la struttura del materiale spugnoso con le due applicazioni nel catodo di una batteria (a sinistra) e per la deposizione di ioni metallici (a destra).
Dr. J. Richers, Dr. C. Kühne
La particolarità del materiale bianco e scaglioso sviluppato dal gruppo di ricerca guidato dal professor Max von Delius dell'Istituto di Chimica Organica dell'Università di Ulm è un contenuto di zolfo eccezionalmente elevato, pari a circa il 50%, e una superficie altamente fessurata.
"Il nostro materiale si basa su una classe di reazioni non utilizzate in precedenza nella chimica dei polimeri, la cosiddetta chimica dei tioeteri", spiega von Delius. "Si tratta di molecole composte da un atomo di carbonio e tre di zolfo, come un treppiede. Questa composizione conferisce naturalmente al materiale un contenuto di zolfo estremamente elevato e determina una forte reticolazione all'interno del polimero. Ciò garantisce un'elevata stabilità, insolubilità in acqua e una struttura superficiale estremamente frammentata". Mentre l'elevato contenuto di zolfo era uno degli obiettivi dei ricercatori, la struttura porosa, paragonabile a quella di una spugna naturale, è stata creata più per caso durante il processo di sintesi e si è rivelata un fortunato effetto collaterale. "Questa ampia superficie di contatto fa sì che gli atomi di zolfo possano legare gli ioni metallici in modo particolarmente efficace", spiega von Delius.
Una possibile applicazione è la separazione mirata dei cosiddetti metalli da conio, come palladio, oro e argento, dalle soluzioni. Nel caso del palladio, che è ampiamente utilizzato nell'industria farmaceutica ed è altrettanto costoso dell'oro, il materiale ottiene risultati migliori rispetto ai cosiddetti scavenger esistenti. Si tratta di sostanze che scavengerano i metalli, utilizzate dalle aziende farmaceutiche, ad esempio, per rimuovere i residui di palladio dalle materie prime medicinali. Le analisi del legame con il metallo condotte da un team guidato dalla professoressa Kerstin Leopold presso l'Istituto di chimica analitica e bioanalitica hanno rivelato una capacità massima di legame del palladio di 41,2 milligrammi per grammo per il polimero tioortoestere. Si tratta di una capacità quasi doppia rispetto a quella di un noto scavenger commerciale.
Il polimero è adatto anche per applicazioni ambientali, ad esempio per rimuovere sostanze problematiche come il semimetallo tossico antimonio dalle scorie degli impianti di incenerimento dei rifiuti. Nei test, il nuovo materiale ha assorbito fino a 2,23 milligrammi di antimonio per grammo di polimero - più volte. Fino all'83% delle sostanze legate poteva essere nuovamente rilasciato dal materiale, con solo una leggera perdita di prestazioni dopo diverse applicazioni. "La capacità di separare selettivamente alcuni metalli è un grande vantaggio", afferma Leopold.
Batteria ecologica con zolfo al posto del metallo
Il nuovo polimero mostra anche proprietà promettenti come componente dei moderni sistemi di accumulo di energia. Nell'ambito del Cluster of Excellence POLiS ("Post Lithium Storage"), i ricercatori hanno testato il materiale come catodo senza metallo nelle batterie agli ioni di litio. "Abbiamo osservato una capacità stabile di circa 100 mAh per grammo su 1000 cicli di carica e scarica. Inoltre, a differenza dei materiali catodici convenzionali, il nuovo polimero non contiene metalli critici e ha un impatto ambientale significativamente inferiore", riferisce von Delius.
Il lavoro dei ricercatori di Ulm non solo è stato accettato dalla rinomata rivista Angewandte Chemie International Edition, ma è stato anche promosso alla nuova rivista Angewandte Chemie Novit dopo aver ricevuto il massimo dei voti nel processo di revisione paritaria - il primo studio pubblicato in questo formato, che pubblica solo articoli con un eccezionale valore di novità.
Previsto un ulteriore sviluppo con partner industriali
È già stata depositata una domanda di brevetto per il nuovo materiale, soprattutto grazie alle sue eccezionali proprietà di legante selettivo per metalli come il palladio e l'antimonio. Anche il suo utilizzo come catodo organico privo di metalli nelle batterie al litio fa parte della domanda di brevetto. Il team di ricerca sta attualmente preparando colloqui con potenziali partner industriali per sviluppare ulteriormente il processo verso la maturità di mercato in vari settori, dalla preparazione di prodotti chimici alla purificazione dell'acqua e all'accumulo di energia.
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