Un metodo di attacco chimico per allargare i pori delle strutture metallo-organiche (MOF) potrebbe migliorare varie applicazioni dei MOF, comprese le celle a combustibile e come catalizzatori. I ricercatori della Nagoya University in Giappone e della East China Normal University in Cina hanno sviluppato il nuovo metodo con collaboratori in altre parti del Giappone, Australia e Cina, e il loro lavoro è stato pubblicato sul Journal of the American Chemical Society.
I MOF sono materiali porosi composti da cluster metallici o ioni interconnessi da gruppi di collegamento (organici) a base di carbonio. La variazione dei componenti metallici e organici genera una varietà di MOF adatti a un'ampia gamma di applicazioni, tra cui catalisi, separazione chimica e stoccaggio di gas.
Alcuni MOF hanno un chiaro potenziale per catalizzare le reazioni chimiche all’interno delle celle a combustibile, che vengono esplorate come base dei sistemi di energia rinnovabile. Poiché non utilizzano combustibili fossili, le celle a combustibile potrebbero svolgere un ruolo chiave nella transizione verso un'economia a basse o zero emissioni per combattere il cambiamento climatico.
"Tuttavia, si è verificato un problema nell'utilizzo dei MOF perché lo strato catalitico è troppo spesso e la loro struttura dei pori non è sufficientemente aperta per consentire il necessario trasferimento di sostanze chimiche. Ciò esacerba le lente proprietà di trasporto di massa dello strato catalitico e limita l'applicazione di MOF in molti sistemi di energia rinnovabile, in particolare per applicazioni di celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC)."
“Quindi, un interesse crescente è stato nella costruzione di MOF cavi con strutture a pori aperti per aumentare la penetrazione dei reagenti e abbreviare i percorsi di diffusione di massa. Ciò ci rende possibile elaborare morfologie senza precedenti e strutture cave con strutture a pori aperti in una singola nanoparticella MOF come un precursore dei catalizzatori PEMFC, sbloccando il potenziale dei materiali avanzati per le applicazioni PEMFC," spiega Yusuke Yamauchi del team di Nagoya. Anche l'instabilità chimica dei MOF esistenti ha rappresentato un ostacolo al loro utilizzo.
I ricercatori hanno utilizzato miscele chimiche per incidere una struttura più aperta in tutto un MOF. Dopo un ciclo iniziale di attacco, l'interno del MOF è diventato più poroso, il che significa che potrebbe essere caricato con ioni ferro che sono cruciali per la catalisi. Questo MOF ha singoli ioni di ferro ancorati in tutta la sua struttura aperta, consentendo a ciascuno ione di essere individualmente attivo cataliticamente. I catalizzatori finali, noti come OP-Fe-NC, sono stati ottenuti sottoponendo il MOF finale a trattamento di calcinazione in atmosfera inerte.
Le simulazioni preliminari suggeriscono che questa struttura migliorerà notevolmente il movimento dell'ossigeno attraverso il materiale, il che dovrebbe migliorarne significativamente l'attività e la stabilità. I risultati promettenti evidenziano il potenziale di OP-Fe-NC come efficace elettrocatalizzatore per vari dispositivi di stoccaggio e conversione dell'energia.
Per questo lavoro, l'utilizzo di OP-Fe-NC come catalizzatore catodico ha prodotto una straordinaria attività della reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) e un'eccellente stabilità in mezzi acidi, che è persino migliore del catalizzatore commerciale di platino/carbonio. Nella cella a combustibile, OP-Fe-NC ha mostrato un'elevata densità di corrente, vicina all'obiettivo del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per il 2025.
"Questo lavoro fornisce un nuovo approccio per progettare e ottimizzare catalizzatori ad alta efficienza per ORR aumentando contemporaneamente le attività catalitiche intrinseche dei siti attivi e utilizzando in modo efficace i siti attivi nello strato catalitico", afferma Wei Xia della East China Normal University, Cina .
Dopo aver dimostrato in linea di principio il potenziale del loro metodo, i ricercatori intendono ora esplorare come altre modifiche chimiche potrebbero ottimizzare l’approccio per produrre materiali adatti a diverse situazioni del mondo reale. "Intendiamo colmare il divario tra il lavoro sperimentale e le applicazioni pratiche, nella speranza di dare un contributo reale alla spinta verso soluzioni energetiche sostenibili", afferma Yamauchi.
Ulteriori informazioni: Jingjing Li et al, Acquaforte selettiva di strutture metallo-organiche per strutture porose aperte:catalizzatori ad alta efficienza di massa con reazione di riduzione dell'ossigeno migliorata per celle a combustibile, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c05544
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito dall'Università di Nagoya
