Il KAIST sviluppa una piattaforma molecolare per il controllo selettivo delle vie di reazione dell'ossigeno
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Il controllo delle reazioni dell’ossigeno è fondamentale per il miglioramento di tecnologie quali batterie, celle a combustibile e processi chimici sostenibili dal punto di vista ambientale. Un gruppo di ricerca del KAIST ha sviluppato un nuovo sistema molecolare in grado di modificare in modo selettivo il percorso attraverso cui gli elettroni vengono trasferiti durante l’attivazione dell’ossigeno. Si prevede che questi risultati forniranno un principio di progettazione fondamentale per i catalizzatori di prossima generazione e le tecnologie di conversione energetica.
Figura 1. Ilustração esquemática de um complexo de germânio capaz de transferência de quatro elétrons por meio da cooperatividade redox germânio–ligante (canto superior esquerdo), e da transferência seletiva de dois elétrons e da reatividade ambifílica do intermediário de dois elétrons formado por meio da metilação (centro superior e canto superior direito).
KAIST
Il KAIST (Presidente Choongsik Bae) ha annunciato il 22 luglio che un gruppo di ricerca guidato dal professor Seung Jun Hwang del Dipartimento di Chimica ha sviluppato un sistema molecolare in grado di indirizzare l’attivazione dell’ossigeno lungo un percorso di trasferimento di elettroni selezionato. Combinando il germanio con una struttura molecolare in grado di immagazzinare e trasferire elettroni, il team ha stabilito un principio di progettazione per commutare selettivamente l’attivazione dell’ossigeno tra percorsi a due e a quattro elettroni.
I catalizzatori per il controllo delle reazioni dell’ossigeno sono stati tradizionalmente sviluppati attorno a centri di metalli di transizione quali ferro, cobalto e nichel. Il germanio, al contrario, è un elemento del gruppo principale appartenente allo stesso gruppo della tavola periodica del silicio ed è stato generalmente considerato meno adatto alle reazioni che richiedono il trasferimento coordinato di diversi elettroni.
Per superare questa limitazione, il team di ricerca ha combinato il germanio con un ligando redox-attivo, ovvero una struttura molecolare in grado di immagazzinare, accettare e trasferire elettroni. Il ligando funge da serbatoio di elettroni e interagisce con il centro di germanio, consentendo all’intera struttura molecolare di partecipare a reazioni multielettroniche.
Quando l’ossigeno reagisce, i prodotti e gli esiti della reazione dipendono dal fatto che vengano trasferiti due o quattro elettroni. In generale, la riduzione dell’ossigeno a due elettroni produce perossido di idrogeno, mentre quella a quattro elettroni produce acqua. Il controllo selettivo di questi percorsi rappresenta quindi una sfida importante nello sviluppo di batterie, celle a combustibile e catalizzatori chimici più ecologici.
Lo studio presenta un raro esempio di sistema molecolare del gruppo principale in cui è possibile accedere selettivamente alla reattività a due e a quattro elettroni all’interno dello stesso scheletro molecolare di base. Questo approccio amplia la gamma di elementi che possono essere presi in considerazione nella progettazione dei catalizzatori e fornisce una strategia alternativa al ricorso esclusivo ai metalli di transizione.
Il team è inoltre riuscito a isolare e analizzare un composto di germanio che rappresenta la fase a due elettroni della reazione, che ha stabilizzato aggiungendo un gruppo metile al complesso di germanio. È degno di nota il fatto che l’atomo di germanio in questo composto fosse in grado sia di donare che di accettare elettroni, fornendo un indizio importante su come il sistema controlli i diversi percorsi di reazione.
Il team ha inoltre confermato il potenziale pratico del nuovo sistema. In condizioni blande e in assenza di luce, il complesso di germanio ha rimosso atomi di alogeno, quali bromo e cloro, dai composti organici e ha rigenerato alcheni (composti organici contenenti un doppio legame carbonio-carbonio), ampiamente utilizzati come materie prime per prodotti farmaceutici, plastiche e altri prodotti chimici. Questi risultati suggeriscono che sia possibile produrre materie prime chimiche utili attraverso processi più semplici e potenzialmente più efficienti dal punto di vista energetico.
«Ci aspettiamo che queste scoperte guidino lo sviluppo di catalizzatori di nuova generazione per la conversione energetica e contribuiscano a processi chimici più selettivi ed efficienti», ha affermato il professor Hwang.
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