Un gruppo di ricerca internazionale coordinato dal Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Trieste ha sintetizzato, mimando le funzionalità della vitamina B12, un potenziale catalizzatore bifunzionale, dunque capace di favorire due reazioni chimiche distinte, ciascuna sostenuta da un diverso stato di ossidazione del metallo. Anche nota come cobalamina, molecola al cui centro è legato un solo atomo di cobalto, la vitamina B12 è infatti in grado di catalizzare reazioni diverse a seconda del contesto. I risultati dello studio, con risvolti applicativi importanti nel campo dell’accumulo e trasporto di energia, sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Advanced Functional Materials.

Lo studio ha visto la collaborazione dell’Istituto officina dei materiali del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IOM), di Elettra Sincrotrone Trieste e del Laboratorio di Nanostrutture di Superficie dell’EPFL in Svizzera. Le attività sono state finanziate nel contesto dei progetti PRIN 2022 e PRIN PNRR.

“L’accumulo e il trasporto d’energia sono oggi applicazioni quanto più strategiche; tuttavia, dal punto di vista delle tecnologie disponibili si è ancora lontani dell’essere ottimali. Si pensi, ad esempio, alle batterie ricaricabili e alla necessità di utilizzare due agenti catalitici distinti per sostenere le reazioni opposte di ossidazione e riduzione nei processi reversibili di carica e scarica.” spiega Erik Vesselli, professore di fisica sperimentale della materia presso il Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Trieste. “Il risultato che abbiamo ottenuto mostra, invece, come ci si possa ispirare alla natura per creare dei nuovi materiali di estremo interesse applicativo nel campo dell’energia verde, ovvero dei catalizzatori bifunzionali, in grado da soli di favorire reazioni chimiche diverse”.

Il cobalto è uno dei metalli strategici all’interno della tavola periodica, già particolarmente usato in catalisi. La sua funzionalità può essere controllata definendo il modo in cui si coordina e calibrando il suo stato di ossidazione. In natura la vitamina B12 – anche nota come cobalamina, poiché caratterizzata da un singolo atomo di cobalto – nelle sue diverse forme e attraverso complessi meccanismi, è a sua volta in grado di regolare lo stato di ossidazione di questo singolo atomo di cobalto, cambiando quindi la propria reattività e stabilità.

“Altrettanto abbiamo fatto noi”, prosegue Vesselli: “Abbiamo cioè sintetizzato una matrice di molecole bidimensionali e singoli atomi di cobalto, utilizzando come tavolo da lavoro un singolo foglio di grafene. Controllando la coordinazione, siamo stati in grado di modulare gli stati di ossidazione del cobalto proprio come avviene nella vitamina B12, riuscendo ad ottenere anche fasi in cui più stati di ossidazione sono co-presenti nel materiale.”

In conclusione, i ricercatori sono riusciti a sintetizzare e caratterizzare un nuovo materiale, le cui proprietà sono determinate da interazioni elettroniche e magnetiche a lungo raggio tra i diversi centri di reazione, ovvero i singoli atomi di cobalto. Ciò è stato possibile sfruttando in combinazione le tecniche sperimentali più all’avanguardia, utilizzando sorgenti laser, luce di sincrotrone e tecniche di microscopia, abbinate a simulazioni numeriche.

Studio completo pubblicato su Advanced Functional Materials:

Co(III), Co(II), Co(I): Tuning Single Cobalt Metal Atom Oxidation States in a 2D Coordination Network

Francesco Armillotta 1,2, Davide Bidoggia 1,3, Stefania Baronio 1, Alessandro Sala 4, Roberto Costantini 1,4, Martina dell’Angela 4, Iulia Cojocariu 1,5, Vitaliy Feyer 6.7, Alberto Morgante 1,4, Maria Peressi 1, Erik Vesselli 1,4,8.

1. Department of Physics, University of Trieste, via A. Valerio 2, 34127 Trieste, Italy
2. Institut de Physique des Nanostructures, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland
3. ICSC – Italian Research Center on High Performance Computing, Big Data and Quantum Computing – 40033 – Casalecchio di Reno, Bologna (Italy)
4. CNR-IOM, Area Science Park, S.S. 14 km 163.5, 34149 Basovizza, Trieste, Italy
5. Elettra Sincrotrone Trieste S.C.p.A. S. S. 14, km 163.5, 34149 Trieste, Italy
6. Forschungszentrum Jülich GmbH, Peter Grünberg Institute (PGI-6), Leo-Brandt-Strasse – 52428 – Jülich (Germany)
7. Duisburg-Essen University, Department of Physics and Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) – 47048 – Duisburg (Germany)
8. Center for Energy, Environment and Transport Giacomo Ciamician, University of Trieste – 34127 – Trieste (Italy)

Figura: Schematizzazione pittorica del materiale biomimetico caratterizzato, con evidenziati i diversi stati di ossidazione del cobalto e gli effetti sulla saturazione nel caso della carbonilazione