
Estructura MOF de poro abierto grabada. Crédito: Wei Xia
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 Nagoya de Japón y la Universidad Normal del Este de China en China, junto con colegas de Japón, Australia y otros lugares de China, desarrollaron el nuevo método y su trabajo se publicó en 2018. Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
Los MOF son materiales porosos con grupos metálicos o iones unidos a grupos enlazadores (orgánicos) a base de carbono. La variación de los componentes metálicos y orgánicos produce una variedad de MOF que son adecuados para una amplia gama de aplicaciones, incluida la catálisis, la separación química y el almacenamiento de gases.
Algunos MOF tienen una clara capacidad 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 pueden desempeñar un papel importante en la transición hacia una economía de bajas o nulas emisiones para combatir el cambio climático.
«Sin embargo, existe un problema al usar MOF porque la capa de catalizador es demasiado delgada y su estructura de poros no está lo suficientemente abierta para permitir la transferencia necesaria de productos químicos. Esto ralentiza la capa de catalizador, mejora las propiedades de transporte de masa 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, existe un interés creciente en construir MOF abiertos con estructuras de poros abiertos para aumentar la penetración de la reacción y acortar las rutas de difusión de masa. Esto nos permite crear morfologías únicas y estructuras abiertas con una estructura de poros abiertos en una sola nanopartícula de MOF. Un precursor de los catalizadores PEMFC, que libera el potencial de los materiales avanzados para aplicaciones PEMFC», explica Yusuke Yamachi, del equipo de Nagoya. La inestabilidad química de los MOF existentes también ha dificultado su uso.
Los investigadores utilizaron una mezcla química para inducir una estructura más abierta en un MOF. Después del ciclo inicial de grabado, el interior del MOF se volvió más poroso, lo que significa que podría cargarse con iones de hierro que son importantes para la catálisis. Este MOF tiene iones de hierro individuales anclados en su estructura abierta, lo que permite que cada ion sea catalíticamente activo individualmente. Los catalizadores finales, conocidos como OP-Fe-NC, se obtuvieron calibrando el MOF final en un ambiente inerte.
Los prototipos preliminares sugieren que esta estructura mejorará en gran medida el movimiento del oxígeno a través del material, lo que debería aumentar significativamente su actividad y estabilidad. Los prometedores resultados resaltan el potencial del 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 una 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 método para diseñar y optimizar catalizadores de alto rendimiento para ORR aumentando simultáneamente las actividades catalíticas intrínsecas de los sitios activos y utilizando eficazmente los sitios activos en la capa de catalizador», dice Wei Xia, Universidad Normal del Este de China en China. . .
Después de demostrar el potencial de su método en principio, los investigadores ahora planean explorar cómo otras modificaciones químicas pueden mejorar el método para crear materiales adecuados para diferentes situaciones del mundo real. «Tenemos la intención de cerrar la brecha entre el trabajo experimental y las aplicaciones prácticas, con la esperanza de hacer una contribución real al avance hacia soluciones energéticas sostenibles», dice Yamachi.
Más información:
Jingjing Li et al, Grabado selectivo de estructuras metalorgánicas para estructuras porosas abiertas: catalizadores de masa eficiente para pilas de combustible con reacciones mejoradas de reducción de oxígeno, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c05544
Proporcionado por la Universidad de Nagoya
referencia: Método de grabado químico para pilas de combustible y más (2024, 1 de marzo) Obtenido el 1 de marzo de 2024 de https://phys.org/news/2024-03-chemical-etching-method-pores-fuel.html
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