Grazie alle loro strutture porose ben definite, gli ossidi mesoporosi fungono da supporti catalitici straordinari per le nanoparticelle metalliche; questi non solo impediscono l’aggregazione delle nanoparticelle metalliche, ma incrementano anche le loro prestazioni catalitiche.
Rispetto ad altri materiali, gli ossidi mesoporosi vantano un’ampia area superficiale (oltre 1000 m2/g) e dimensioni ridotte dei pori; inoltre, possono essere rivestiti con uno o più composti.
Secondo la classificazione dell’I.U.P.A.C. (International Union of Pure and Applied Chemistry), i materiali mesoporosi possono essere di natura ordinata o disordinata. I pori del materiale mesoporoso ordinato sono disposti in modo uniforme. In termini generali, i materiali mesoporosi ordinati sono classificati in ossidi mesoporosi non metallici e ossidi mesoporosi metallici.
Rispetto ai materiali mesoporosi non metallici ordinati, gli ossidi mesoporosi metallici ordinati hanno trovato ampio impiego nei campi della conversione e dell’immagazzinamento dell’energia, della catalisi, del rilevamento, dell’adsorbimento e della separazione, grazie all’elevata superficie specifica e alla struttura ordinata dei pori.
Ossidi mesoporosi non metallici ordinati
Gli ossidi mesoporosi non metallici ordinati si suddividono ulteriormente in materiali mesoporosi a base di silice e materiali mesoporosi a base di carbonio. I primi furono sintetizzati per la prima volta nel 1992 dai ricercatori della Mobil, ottenendo una serie di materiali mesoporosi denominati Mobil Composition of Matter (MCM), che malgrado fossero composti da pareti di silice amorfa, possiedono una struttura ordinata a lungo raggio con mesopori uniformi.
Gli ossidi mesoporosi a base di carbonio presentano numerose qualità impressionanti come una buona conduttività elettrica, una forte rigidità strutturale e un’ampia superficie specifica, rendendoli il soggetto di continue ricerche, sia per quanto riguarda la loro preparazione che le loro applicazioni.
Ossidi mesoporosi metallici ordinati
Facendo leva sulla regolarità strutturale, la dimensione regolabile dei pori, e l’elevata superficie specifica, gli ossidi mesoporosi metallici ordinati trovano applicazione in molteplici settori. Ad oggi, sono stati sintetizzati diversi ossidi metallici mesoporosi ordinati, come Co3O4, TiO2, WO3, Al2O3, ZrO2, CeO2, NiO, Cr2O3, Sm2O3, In2O3 e UO2.
La stabilità strutturale e termica necessitano però di ulteriori miglioramenti. Ad esempio, i setacci molecolari mesoporosi di titanio con buone proprietà sono stati ottenuti attraverso un processo sol-gel modificato e possono trovare impiego nel trattamento delle acque reflue, nella purificazione dell’aria e nei materiali per le celle solari.
Il biossido di zirconio può essere impiegato in molteplici settori, come l’hydrocracking e l’idroisomerizzazione, funzionando come un efficace catalizzatore acido solido. Tuttavia, l’area superficiale specifica è bassa, quindi la sua efficienza catalitica non è elevata. Per questo motivo, è stato sintetizzato l’ossido mesoporoso di ZrO2 utilizzando il solfato di zirconio come sorgente del metallo e un tensioattivo di sale di ammonio quaternario a catena lunga in un mezzo alcalino.
A causa della sua diffusione nelle applicazioni della catalisi, dell’elettrocromismo, dell’immagazzinamento energetico di materiali elettrodici e dei materiali a microonde, l’ossido di tungsteno è largamente utilizzato. Per ampliare la gamma di applicazioni pratiche di WO3 come fotocatalizzatore, si utilizza un metodo efficace per costruire un’ampia e specifica struttura mesoporosa in cui l’ossido di tungsteno è progettato. E’ stato sfruttato l’acido fosfotungstico come fonte di tungsteno e silice mesoporosa per ottenere l’ossido metallico mesoporoso ordinato.
Dai setacci molecolari di ossido di alluminio mesoporoso, con un’area superficiale specifica di 500 m2/g, sono stati ottenuti i primi tensioattivi non ionici utilizzando alcossido di alluminio come fonte di alluminio.
Applicazioni di ossidi mesoporosi nella conversione della CO2
L’accumulo di biossido di carbonio nell’atmosfera è il principale responsabile dell’effetto serra, il quale provoca il riscaldamento globale; questo rappresenta un’immensa minaccia per l’ambiente e per l’uomo. Gli esperti di cambiamenti climatici raccomandano di sviluppare e utilizzare al più presto un metodo efficace per gestire l’anidride carbonica entro determinati limiti atmosferici.
Gli ossidi mesoporosi metallici ordinati, grazie alla loro ampia superficie specifica, alla struttura ordinata dei pori e alla loro dimensione, sono considerati promettenti candidati catalitici per la conversione catalitica del biossido di carbonio attraverso un processo di catalisi eterogenea.
Per esempio, nel processo di idrogenazione della CO2 condotto a 25°C, la reazione principale porta alla formazione di metanolo, mentre una reazione secondaria porta alla formazione di monossido di carbonio. Dato che la prima reazione è esotermica ed implica una riduzione delle molecole dei prodotti rispetto a quelle dei reagenti, questa è favorita da una minore temperatura e da una maggiore pressione. D’altro canto, la seconda reazione, essendo endotermica ed essendo il numero delle molecole invariato rispetto ai reagenti, è favorita da un aumento di temperatura.
Tuttavia, considerando l’aspetto cinetico e l’inerzia chimica del biossido di carbonio, la reazione principale si favorisce all’aumentare della temperatura a temperature superiori a 250°C. Un aumento della temperatura favorisce la seconda reazione, portando al consumo di idrogeno e riducendo la produzione di metanolo. La formazione di una grande quantità di vapore acqueo inibisce inoltre l’azione del catalizzatore, portando all’inattivazione dello stesso.
Per questo, l’idrogenazione della CO2 per la produzione di metanolo richiede un catalizzatore più selettivo. Sono stati adottati metodi più efficienti utilizzando la riduzione fotocatalitica, tra cui la sintesi dei nanocristalli mesoporosi ordinati di ossido di indio. Questi ultimi, tramite l’utilizzo della silice mesoporosa altamente ordinata come matrice strutturale, hanno dimostrato che l’introduzione della mesoporosità nell’ossido di indio e il conseguente miglioramento delle proprietà richieste per un fotocatalizzatore, hanno reso l’ossido di indio un fotocatalizzatore efficace per la conversione del biossido di carbonio in metanolo.