La transizione verso un nuovo modello energetico, la ricerca e lo sviluppo di tecnologie pulite che consentano di ridurre l’inquinamento, ridurre le emissioni di gas serra (decarbonizzazione) e aumentare la produttività delle imprese è una delle sfide più importanti che dobbiamo affrontare oggi e nei prossimi anni. L’economia a idrogeno è sicuramente una soluzione possibile ma uno dei problemi maggiori che la filiera idrogeno si trova ad incontrare è lo stoccaggio di questo vettore energetico. Non sembrano rappresentare soluzioni percorribili né l’idrogeno compresso, né quello liquefatto in bombole, mentre possibili soluzioni sembrano essere rappresentate da materiali in grado di immagazzinare al loro interno quantità significative di idrogeno ed in grado di rilasciarlo in maniera controllata. Tra questi, una posizione di primo piano è occupata dai metal organic frameworks (MOFs) materiali microporosi cristallini ad alta area superficiale e bassa densità, con promettenti proprietà nell’assorbimento fisico dell’H2. La loro interazione con l’H2 è debole, determinata dalle forze di dispersione e per questo motivo tali materiali adsorbono meglio solo a temperature molto basse e il loro stoccaggio richiede al momento un raffreddamento criogenico.
Implementare la capacità di stoccaggio di H2 nelle strutture porose dei MOFs a temperatura ambiente è uno degli obiettivi che il progetto MASTER-H2 si pone, un obiettivo che potrebbe essere ottenuto attraverso la sintesi di nuovi MOFs per i quali le entalpie isosteriche di adsorbimento siano superiori a valori massimi ad oggi riscontrati (circa 13 kJ mol-1 a 77 K), o le cui interazioni deboli all’interno dei pori siano molto più numerose così da mantenere il più efficacemente possibile le molecole di idrogeno.
Il progetto MASTER-H2 ha come obiettivo la sintesi di nuovi MOFs basati su leganti azotati, nello specifico leganti ditopici o multitopici con anelli pirazolici, in grado di produrre strutture caratterizzate da forti legami metallo-legante, molto stabili termicamente e chimicamente sia nei confronti di impurezze presenti nei flussi di idrogeno sia verso l’esposizione all’atmosfera. Saranno utilizzati per la sintesi dei MOFs tre tipologie di leganti bipirazolici, la prima serie è basata sul legante rigido 1H,1H’4,4’-bipirazolo funzionalizzato con diversi gruppi funzionali, la seconda serie costituita da leganti bipirazolici con spaziatore aromatico, ed in fine leganti basati su due diverse funzionalità di coordinazione pirazolica e carbossilica. Le differenti serie di leganti aumenteranno le interazioni di van der Waals H2-superficie minimizzando la dimensione dei pori, sequestrando l'idrogeno all'interno di strutture metallo-organiche flessibili, aumentando la capacità di stoccaggio di idrogeno a temperature più elevate. Per la sintesi dei MOFs verranno utilizzati una serie di metalli di transizione con affinità per le molecole di H2, come Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pd, ma
l’aspetto innovativo sarà la sostituzione parziale dei metalli sopra indicati con Mg e la “decorazione” dei MOFs con Li, Be e Na. L’incorporazione di diversi cationi metallici specifici rappresenta una promettente strategia per raggiungere l'energia di legame richiesta per lo stoccaggio dell'idrogeno. Inoltre, la presenza di siti metallici insaturi all'interno delle strutture dei MOFs può partecipare direttamente alla formazione di legami con l'idrogeno, generando alcune delle energie di legame più elevate mai riportate per i materiali microporosi ad alta capacità. La caratterizzazione strutturale dei MOFs mono-, bi- e multi-metallici verrà eseguita mediante diffrazione di raggi X in polvere (PXRD), analisi elementare (EA), analisi termogravimetrica (TGA), assorbimento di N2 a 77K per la valutazione dell’area superficiale e della dimensione dei pori. I MOFs con adeguate caratteristiche strutturali saranno sottoposti ad ulteriori test per valutare la loro capacità di adsorbire l'idrogeno e/o di separare l’idrogeno da miscele di gas diversi in varie situazioni di pressione e temperatura. Infine, verranno studiate dettagliatamente le interazioni sito-specifiche tra H2 e le strutture utilizzando tecniche di diffrazione di neutroni, lo scattering anelastico di neutroni (INS), e la spettroscopia infrarossa (IR). I MOFs con le migliori performance di assorbimento di H2 saranno selezionati per la progettazione di un impianto pilota in grado di dimostrare la fattibilità dello stoccaggio di idrogeno su scala industriale. La conversione dell'idrogeno rappresenta anch’essa un'importante area di ricerca che può contribuire alla transizione verso un'economia basata su fonti di energia sostenibili e a basse emissioni di carbonio. In "Master-H2", ci si concentrerà sull'elettroriduzione della CO2 , utilizzando MOFs come supporto catalitico per ottimizzare la resa e la selettività della reazione. Questo processo converte la CO2 in prodotti chimici utili quali il metano.