Fosfati metallici

I fosfati metallici, sono studiati per le loro applicazioni come materiali di elettrodi per le batterie ricaricabili agli ioni metallici di prossima generazione come batterie agli ioni di litio, agli ioni di sodio, agli ioni di potassio, agli ioni calcio e batterie agli ioni di magnesio grazie alla loro elevata capacità, buona stabilità chimica, lunga durata e abbondanza naturale.

I fosfati metallici sono rispettosi dell’ambiente, hanno basso costo, elevata sicurezza e bassa tossicità. Per la loro struttura i fosfati metallici, che presentano ampi canali e spazio interstiziale, hanno una buona conduttività ionica, un facile trasporto di massa di ioni ed elettroliti, un facile accesso ai siti attivi per l’intercalazione ionica e una buona capacità di stoccaggio della carica.

Inoltre, forti legami covalenti offrono un’elevata stabilità strutturale e possono stabilizzare l’ossigeno reticolare anche ad alto stato di carica, garantendo così cicli a lungo termine e sicurezza nelle batterie. In particolare i fosfati metallici di litio sono tra i materiali catodici più promettenti per le batterie agli ioni di litio ad alta capacità.

A seconda delle combinazioni metallo/fosfato e delle metodologie sintetiche, i fosfati metallici possono essere preparati in un’ampia varietà di forme cristalline, da strutture aperte 3D, attraverso reti stratificate, a strutture polimeriche monodimensionali.

Esempi di fosfati metallici

Fosfati di zirconio

I primi studi di una forma cristallina di fosfato di zirconio risale al 1964 grazie agli studi del chimico Abraham Clearfield la cui composizione chimica fu determinata come Zr(HPO₄)₂ ·H₂O. La sua struttura è costituita da una disposizione a strati in cui gli ioni Zr⁴⁺ si allineano in un piano quasi perfetto collegato da gruppi ortofosfato, che sono distanti 5,3 Å l’uno dall’altro, sopra e sotto il piano degli ioni di zirconio.

Ogni ione Zr⁴⁺ è coordinato da sei atomi di ossigeno di sei diversi gruppi fosfato, formando una coordinazione ottaedrica con il centro metallico. Tre atomi di ossigeno di ciascun gruppo fosfato sono coordinati a tre diversi ioni Zr. Il quarto ossigeno è legato a un atomo di idrogeno e punta sopra e sotto ciascuno strato del fosfato di zirconio. L’impilamento di questi strati crea una cavità zeolitica del diametro di 2.61 Å occupata da una molecola d’acqua.

Questa descrizione corrisponde a quella di una fase che è stata denominata α-ZrP che è quella più studiata. Successivamente furono ottenuti i fosfonati di α‑zirconio, con formula Zr(O₃PR)₂, in cui R è un gruppo organico. Il fosfonato di zirconio è generalmente considerato un derivato del fosfato di zirconio a causa della sostituzione del gruppo –OH con gruppi organici.

I fosfati e i fosfonati di zirconio sono stati utilizzati nella fotochimica, nel riconoscimento molecolare e nella catalisi. Gli studi più recenti sul fosfato di zirconio e i suoi derivati ​​si sono concentrati sulle loro prestazioni in applicazioni funzionali, come ritardante di fiamma, componente elettrolitico nelle celle a combustibile, anticorrosivo, nella rimozione mirata di ioni e nel rilascio di farmaci.

Diidrogenofosfato di potassio

Il diidrogenofosfato di potassio è un altro tra i fosfati metallici più studiati in quanto, allo stato fuso, è  un liquido con elevata conduttività di ∼0,30  S  cm ⁻¹ a 300  °C ed è utilizzato per i sistemi di conversione della radiazione laser. Esso è un elettrolita promettente per un elettrolizzatore ad acqua pressurizzata.

Il diidrogenofosfato di potassio e i suoi isomorfi sono fosfati metallici che possiedono importanti proprietà ottiche, piezoelettriche, ferroelettriche e elettroottiche. Hanno attirato l’interesse di molti ricercatori teorici e sperimentali, probabilmente a causa della loro struttura relativamente semplice e delle proprietà molto affascinanti associate a un sistema di legami idrogeno che comporta un grande effetto isotopico.

Inoltre è utilizzato dall’industria alimentare per la produzione di prodotti da forno, come agente lievitante, agente aromatizzante, additivi per la fermentazione, fortificanti nutrizionali, alimenti a base di lievito.

Fosfati di metalli di transizione

I fosfati di metalli di transizione sono economici, abbondanti sulla terra e rispettosi dell’ambiente e presentano diversi vantaggi unici tra cui elevata stabilità, caratteristiche chimico/fisiche uniche e multifunzionalità personalizzabile, che li rendono ideali per applicazioni avanzate di conversione e stoccaggio dell’energia ad alta efficienza.

Le nanostrutture cave di fosfato di metalli di transizione sono di elevato interesse nelle aree tecnologiche, a causa della loro elevata area superficiale, della presenza di cavità e della facile regolazione di composizioni e dimensioni.

Vari fosfati metallici, in particolare i fosfati dei metalli di transizione (TMP), possiedono proprietà favorevoli per la catalisi, la fotoluminescenza e il rilascio di farmaci. A causa della fotoluminescenza e delle proprietà biocompatibili i fosfati metallici contenenti lantanidi, sono ampiamente utilizzati nella somministrazione di farmaci e nell’imaging.

Le varie caratteristiche di questi fosfati metallici che consentono questa gamma completa di applicazioni includono porosità ben definita, basicità superficiale e acidità regolabile. Il fosfato di ferro ha applicazioni in varie reazioni di ossidazione, come l’ossidazione selettiva del metano in prodotti ossigenati e materiali catodici economici per batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni. Inoltre, è ampiamente studiato per elettrodi catodici a causa del basso costo, rispetto dell’ambiente e l’elevata capacità specifica nelle batterie al litio.

I fosfati metallici di litio sono tra i materiali catodici più promettenti per le batterie a ioni di litio ad alta capacità. In particolare il fosfato di litio e ferro LiFePO₄ è un materiale particolarmente interessante per l’energia ibrida   sistemi in cui i costi e la sicurezza rappresentano una delle principali preoccupazioni.

Le batterie al litio ferro fosfato offrono numerosi vantaggi rispetto alle batterie al piombo e ad altre batterie al litio tra cui maggiore durata, nessuna manutenzione, estremamente sicuro, leggero, migliore efficienza di scarica e carica. Sono spesso utilizzate in applicazioni in cui sono importanti una lunga durata e buone prestazioni in condizioni avverse, come nei veicoli elettrici, nei sistemi di accumulo dell’energia in rete e negli utensili elettrici portatili.

Il fosfato di titanio è un eccellente fotocatalizzatore e la sua attività fotocatalitica, dalla regione dell’U.V., può essere estesa anche nella regione visibile introducendo atomi estranei nella struttura del fosfato di titanio. Il  fosfato di vanadio è l’unico catalizzatore commercializzato per l’ossidazione del butano in anidride maleica.