Un método de grabado químico para ampliar los poros de las estructuras organometálicas (MOF) podría mejorar diversas aplicaciones de los MOF, incluso en pilas de combustible y como catalizadores. Investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón y la Universidad Normal del Este de China en China desarrollaron el nuevo método con colaboradores en otros lugares de Japón, Australia y China, y su trabajo fue publicado en el Journal of the American Chemical Society.
Los MOF son materiales porosos compuestos de grupos o iones metálicos interconectados por grupos enlazadores (orgánicos) a base de carbono. La variación de los componentes metálicos y orgánicos genera una variedad de MOF adecuados para una amplia gama de aplicaciones, incluida la catálisis, la separación química y el almacenamiento de gases.
Algunos MOF tienen un claro potencial para catalizar reacciones químicas dentro de las pilas de combustible, que se están explorando como base de los sistemas de energía renovable. Como no utilizan combustibles fósiles, las pilas de combustible podrían desempeñar un papel clave en la transición hacia una economía de bajas o nulas emisiones para combatir el cambio climático.
"Sin embargo, ha habido un problema al usar MOF porque la capa de catalizador es demasiado gruesa y su estructura de poros no está suficientemente abierta para permitir la transferencia necesaria de productos químicos. Esto exacerba las propiedades lentas de transporte de masa de la capa de catalizador y limita la aplicación. de MOF en muchos sistemas de energía renovable, particularmente para aplicaciones de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC).
"Por lo tanto, ha habido un interés creciente en la construcción de MOF huecos con estructuras de poros abiertos para aumentar la penetración de reactivos y acortar las rutas de difusión de masa. Esto nos permite elaborar morfologías y estructuras huecas sin precedentes con estructuras de poros abiertos en una sola nanopartícula de MOF como una precursor de los catalizadores PEMFC, liberando el potencial de materiales avanzados para aplicaciones PEMFC", explica Yusuke Yamauchi del equipo de Nagoya. La inestabilidad química de los MOF existentes también ha sido una barrera para su uso.
Los investigadores utilizaron mezclas químicas para grabar una estructura más abierta en todo un MOF. Después de un ciclo inicial de grabado, el interior del MOF se volvió más poroso, lo que significa que podría cargarse con iones de hierro que son cruciales para la catálisis. Este MOF tiene iones de hierro individuales anclados en toda su estructura abierta, lo que permite que cada ion sea catalíticamente activo individualmente. Los catalizadores finales, conocidos como OP-Fe-NC, se obtuvieron sometiendo el MOF final a un tratamiento de calcinación en atmósfera inerte.
Las simulaciones preliminares sugieren que esta estructura mejorará en gran medida el movimiento del oxígeno a través del material, lo que debería mejorar significativamente su actividad y estabilidad. Los resultados prometedores resaltan el potencial de OP-Fe-NC como electrocatalizador eficaz para diversos dispositivos de conversión y almacenamiento de energía.
Para este trabajo, el uso de OP-Fe-NC como catalizador catódico proporcionó una extraordinaria actividad de reacción de reducción de oxígeno (ORR) y una excelente estabilidad en medios ácidos, que es incluso mejor que el catalizador comercial de platino/carbono. En la pila de combustible, OP-Fe-NC mostró una alta densidad de corriente, cercana al objetivo del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) para 2025.
"Este trabajo proporciona un nuevo enfoque para diseñar y optimizar catalizadores de alta eficiencia para ORR al aumentar simultáneamente las actividades catalíticas intrínsecas de los sitios activos y utilizar eficazmente los sitios activos en la capa del catalizador", dice Wei Xia de la Universidad Normal del Este de China, China. .
Habiendo demostrado en principio el potencial de su método, los investigadores ahora planean explorar cómo otras modificaciones químicas podrían optimizar el enfoque para producir materiales adecuados para diferentes situaciones del mundo real. "Tenemos la intención de cerrar la brecha entre el trabajo experimental y las aplicaciones prácticas, y esperamos hacer una contribución real al impulso hacia soluciones energéticas sostenibles", afirma Yamauchi.
Más información: Jingjing Li et al, Grabado selectivo de estructuras metálicas-orgánicas para estructuras porosas abiertas:catalizadores de masa eficiente con reacción de reducción de oxígeno mejorada para pilas de combustible, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2023). DOI:10.1021/jacs.3c05544
Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense
Proporcionado por la Universidad de Nagoya
