Come la modifica della prima e seconda sfera di coordinazione influenza la struttura e le applicazioni dei cluster metallici?

L'ingegnerizzazione dei cluster metallici attraverso la modifica delle sfere di coordinazione rappresenta una delle aree più avanzate e promettenti nella chimica dei materiali. I cluster metallici, che sono entità molecolari composte da atomi metallici e ligandi, vengono spesso studiati per le loro applicazioni in catalisi, fotocatalisi e in altri settori legati alle nanotecnologie. L'ottimizzazione delle loro proprietà funzionali dipende in gran parte dalla configurazione dei legami tra il metallo e i ligandi, che definiscono la prima e la seconda sfera di coordinazione.

La prima sfera di coordinazione riguarda i legami diretti tra il metallo centrale e i ligandi che sono attaccati direttamente a questo. Modificare questi legami consente di regolare la reattività e la stabilità del cluster. In particolare, i leganti NHC (N-heterocyclic carbenes) e i leganti chelanti a base di azoto hanno ricevuto molta attenzione. Questi leganti sono in grado di influenzare significativamente le proprietà elettroniche e steriche del metallo, stabilizzando alcune configurazioni e

Quali sono le potenzialità delle nanostrutture basate su POM nell'elettrochimica e nell'elettrocatalisi?

Un esempio emblematico della versatilità di questi materiali è fornito dai composti POM-MOF (metal-organic frameworks), che uniscono la robustezza delle strutture porose a quella delle unità POM, generando così un sistema altamente efficiente per reazioni elettrochimiche. Uno studio condotto da Zhou e collaboratori nel 2015 ha portato alla sintesi di due nuovi MOF basati su POM con una struttura tridimensionale, NENU-500 e NENU-501, che mostrano una notevole stabilità strutturale e una capacità di riduzione dell’idrogeno (HER) eccezionale in condizioni acide. La densità di corrente catalitica di NENU-500, per esempio, può raggiungere 10 mA cm−2 con una bassa sovratensione di 237 mV, un risultato straordinario nel panorama dei materiali MOF.

Oltre alla riduzione del CO2, le nanostrutture POM trovano applicazione anche nelle batterie agli ioni di litio, dove le loro proprietà di immagazzinamento elettronico si rivelano utili per migliorare le prestazioni dei materiali anodici. Un esempio è rappresentato da un framework POM, NNU-11, sviluppato sempre dal gruppo di Lan, che ha mostrato una capacità altamente reversibile di 750 mAh g−1 e una stabilità ciclica eccellente. Queste caratteristiche derivano dalle interazioni π–π tra le molecole all'interno della struttura, che migliorano la performance elettrochimica complessiva del materiale.

Ciò che rende così attraenti questi materiali è non solo la loro capacità di partecipare a reazioni complesse come la riduzione del CO2 o la produzione di idrogeno, ma anche la loro stabilità in ambienti estremi, come solventi organici o soluzioni acquose a pH variabili. La combinazione di porosità e modularità della struttura consente a questi materiali di essere facilmente adattabili a diverse reazioni, aumentando così la loro versatilità in molteplici applicazioni elettrochimiche.

Nel complesso, le nanostrutture POM, grazie alla loro architettura unica e alle eccellenti proprietà elettrochimiche, offrono ampie possibilità di innovazione in campo energetico e ambientale. È fondamentale, però, che i ricercatori continuino a esplorare le potenzialità di questi materiali, non solo per le applicazioni in corso, ma anche per nuovi sviluppi in ambiti come la generazione di energia rinnovabile e la sostenibilità. La ricerca futura dovrà concentrarsi sull'ottimizzazione delle loro proprietà per garantire un'efficacia ancora maggiore e una maggiore scalabilità nelle applicazioni industriali.