Ossidi di metalli di transizione

Gli ossidi di metalli di transizione (TMOs) sono gli ossidi degli elementi del blocco d che presentano l’orbitale d parzialmente riempito e hanno attratto la comunità scientifica grazie alle loro proprietà fisiche come quelle magnetiche, ottiche ed elettrochimiche. Grazie alla configurazione elettronica degli elementi metallici, tali composti, mostrano applicazioni nel campo della catalisi a causa della possibilità di avere diversi stati di ossidazione.

Grazie a queste proprietà gli ossidi di metalli di transizione hanno un notevole potenziale per la generazione di nuove strutture con nuove proprietà magnetiche e di trasporto per applicazioni nel campo dell’elettronica.

Inoltre la famiglia degli ossidi di metalli di transizione ha la potenzialità di svolgere un ruolo significativo nello stoccaggio energetico ecologico, a basso costo e ad alta potenza e nel campo dell’optoelettronica, dei sensori, dei dispositivi di memorizzazione magnetica e della catalisi indotta dalla luce.

Ossidi di metalli di transizione e supercondensatori

Vi è un crescente interesse per l’applicazione dei supercondensatori nei sistemi di accumulo dell’energia a causa della loro elevata potenza specifica, velocità di carica/scarica rapida e lunga stabilità del ciclo. I supercondensatori sono sistemi di accumulo di energia elettrochimica che hanno una capacità di potenza estremamente elevata quando sono completamente carichi.

supercondensatori
supercondensatori

La tecnologia dei supercondensatori inizia con lo studio di Helmholtz, che, nel 1853, rivelò che le cariche elettriche possono essere mantenute non solo sulla superficie di un conduttore ma anche sull’interfaccia a “doppio strato” elettrodo-elettrolita. Attualmente i ricercatori si sono concentrati sullo sviluppo di nanomateriali per migliorare le prestazioni capacitive dei supercondensatori e, in particolare, sull’utilizzo delle fibre come modelli ha portato a vantaggi teorici e pratici grazie alla loro ampia area superficiale specifica, che consente una rapida diffusione degli ioni elettroliti.

Inoltre, si ritiene che l’inclusione di componenti redox-attivi, come ossidi di metalli di transizione e polimeri conduttivi nelle fibre svolga un ruolo importante nel migliorare il comportamento elettrochimico dei materiali a base di fibre.

Diversi ossidi di metalli di transizione, come l’ossido di rutenio (IV), l’ossido di manganese (IV), l’ossido di nichel (II), l’ossido di cobalto (II, III) e l’ossido di vanadio (V), sono comunemente usati nei supercondensatori a causa della loro elevata capacità specifica teorica derivante dal processo di trasferimento di carica faradaico.

Ossido di rutenio

L’ossido di rutenio RuO2 è un elettrodo per supercondensatori a base di ossido con un eccellente comportamento capacitivo perché ha un’elevata capacità specifica teorica e una buona conduttività elettrica. Presenta inoltre un’eccellente combinazione di caratteristiche quali elevata stabilità termica e chimica, bassa resistività e notevoli proprietà di barriera alla diffusione

L’ossido di rutenio (IV) ha ampie applicazioni come lo sviluppo di circuiti integrati, resistori a film spesso o sottile, film ferroelettrici e uno strato tampone per film sottili superconduttori ad alta temperatura. Le nanoparticelle di ossido di rutenio spesso ottenute tramite un processo bottom up sono uno dei materiali più promettenti su scala nanometrica per i dispositivi di stoccaggio dell’energia.

La sintesi delle nanoparticelle viene solitamente effettuata mediante tecniche fisiche e chimiche tra cui sonochimica, sintesi idrotermale, ablazione laser, elettrochimica, deposizione di vapori chimici, irradiazione con microonde e riduzione chimica. Sebbene questi metodi producano prodotti di buona qualità, le sostanze chimiche coinvolte sono pericolose, costose, i prodotti non sono rinnovabili, non degradabili e il processo comporta un’elevata energia e richiede lunghi tempi di reazione.

Per superare questi svantaggi, gli approcci verdi emergenti alla sintesi di nanomateriali utilizzando piante e altre risorse microbiche hanno creato la propria nicchia nel campo di tendenza delle nanotecnologie. Questo approccio verde è rispettoso dell’ambiente e adatto alla produzione di massa poiché utilizza estratti vegetali facilmente disponibili

Ossido di manganese

L’ossido di manganese (IV) è, tra gli ossidi di metalli di transizione, una delle alternative all’ossido di rutenio grazie alla sua buona compatibilità ambientale, all’elevata capacità specifica teorica ed efficienza dei costi. Le batterie agli ioni litio all’ossido di manganese sono celle agli ioni di litio che utilizzano biossido di manganese, come materiale catodico e vengono utilizzate in una nuova generazione di pacemaker.

ossido di manganese
ossido di manganese

L’ossido di manganese possiede buone caratteristiche di energia e densità di potenza e mostra una bassa autoscarica. Le batterie al litio/biossido di manganese hanno una lunga storia di utilizzo nell’elettronica di consumo, e, più recentemente, utilizzate nel monitorare la pressione dei pneumatici che richiedono batterie di lunga durata in grado di funzionare in un’ampia gamma di temperature, fino a 125° C.

Le batterie hanno un’affidabilità a lungo termine, con una durata di 10 anni e per questo motivo sono ampiamente utilizzate nei contatori di elettricità, gas e acqua, allarmi antincendio e antifumo, dispositivi di sicurezza. Presentano, tuttavia lo svantaggio di non essere ricaricabili

Ossido di nichel

L’ossido di nichel (II) è considerato un elettrodo supercondensatore con maggiori potenzialità rispetto ad altri ossidi di metalli di transizione perché offre un’elevata capacità teorica, un’elevata area superficiale], non tossicità e bassi costi di produzione.

Diverse nanomorfologie di NiO, tra cui nanonastri, nanofogli, nanofili, nanofiocchi  e nanoparticelle, possono essere preparate rispettivamente tramite processi idrotermali, di immersione chimica, solvotermici, idrotermali a microonde ed elettrodeposizione.

Oltre che nei supercondensatori l’ossido di nichel viene utilizzato come materiale catodico nelle batterie e negli smalti per porcellana. Inoltre, la facilità di sintesi e la stabilità chimica ne rendono possibile anche l’ampia applicazione. Le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi ossido di nichel dipendono principalmente dalla loro area superficiale, dimensioni delle particelle, strutture cristalline e morfologie.

Ossido di cobalto

Le proprietà elettrochimiche dell’ossido di cobalto (II) e (III) dipendono fortemente dalla morfologia strutturale del materiale e dalla configurazione elettronica degli ioni metallici (Co3+ e Co2+ ) e pertanto sono state dedicate diverse strategie allo sviluppo di varie forme di nanocompositi di Co3O4 per ottenere migliori prestazioni di accumulo di carica.

L’ossido di cobalto, tra gli altri ossidi di metalli di transizione, è stato ampiamente studiato come materiale alternativo per applicazioni di supercondensatori poiché mantiene un’elevata capacità teorica, buone prestazioni redox e identità strutturali sintonizzabili.

Le reazioni elettrochimiche degli elettrodi, la cui reversibilità è tuttavia scarsa ad alta densità di corrente, di ossido di cobalto in soluzione alcalina sono definite dalle reazioni:
Co3O4 + OH + H2O ⇄ 3 CoOOH + 1 e
CoOOH + OH ⇄  CoO2 + 1 e

Ossido di vanadio

Tra gli ossidi di metalli di transizione l’ossido di vanadio (V) è considerato un elettrodo pseudocapacitivo promettente grazie ai suoi vari stati di ossidazione e alla struttura a strati unica. Le batterie redox al vanadio sono dette anche batterie a flusso di vanadio in quanto le loro specie attive che rimangono sempre in soluzione durante il ciclo di carica e scarica e hanno un potenziale di 1.25 V.

ossido di vanadio
ossido di vanadio

Sono dotate di elevata reversibilità e di potenza relativamente elevata. Tali batterie realizzate per la prima volta presso University of New South Wales sono costituite da due semicelle separate da una membrana a scambio ionico in cui sono presenti elettroliti contenenti specie attive di vanadio in diversi stati di valenza

Tale batteria consente di immagazzinare energia in due soluzioni che contengono diverse coppie redox con potenziali elettrochimici sufficientemente separati l’uno dall’altro per fornire una forza elettromotrice per guidare le reazioni di ossido-riduzione necessarie per caricare e scaricare la cella.

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