I ricercatori hanno presentato un nuovo materiale per elettrodi per un dispositivo avanzato di accumulo di energia che viene caricato direttamente con l'ossigeno dall'aria. Il team del professor Jeung Ku Kang ha sintetizzato e preservato le particelle sub-nanometriche di dimensioni di cluster atomici a carichi di massa elevati all'interno di strutture metallo-organiche (MOF) controllando il comportamento dei reagenti a livello molecolare. Questa nuova strategia garantisce elevate prestazioni per le batterie al litio-ossigeno, acclamata come tecnologia di accumulo di energia di nuova generazione e ampiamente utilizzata nei veicoli elettrici.

Le batterie al litio-ossigeno in linea di principio possono generare densità di energia dieci volte superiori rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio, ma soffrono di una scarsissima ciclabilità. Uno dei metodi per migliorare la stabilità del ciclo è ridurre il potenziale eccessivo degli elettrocatalizzatori negli elettrodi catodici. Quando la dimensione di un materiale elettrocatalizzatore è ridotta al livello atomico, l'aumento dell'energia superficiale porta ad una maggiore attività accelerando significativamente l'agglomerazione del materiale.

Come soluzione a questa sfida, Il professor Kang del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali mirava a mantenere l'attività migliorata stabilizzando elettrocatalizzatori di dimensioni su scala atomica negli spazi sub-nanometrici. Questa è una nuova strategia per produrre e stabilizzare simultaneamente elettrocatalizzatori a livello atomico all'interno di strutture metallo-organiche (MOF).

Le strutture metallo-organiche assemblano continuamente ioni metallici e linker organici.

Il team ha controllato le affinità dell'idrogeno tra le molecole d'acqua per separarle e trasferire le molecole d'acqua isolate una per una attraverso i pori sub-nanometrici dei MOF. Le molecole d'acqua trasferite hanno reagito con gli ioni di cobalto per formare idrossido di cobalto di-nucleare in condizioni sintetiche controllate con precisione, quindi l'idrossido di cobalto a livello atomico viene stabilizzato all'interno dei pori sub-nanometrici.

L'idrossido di cobalto di-nucleare che è stabilizzato nei pori sub-nanometrici delle strutture metallo-organiche (MOF) ha ridotto il potenziale eccessivo del 63,9% e ha mostrato miglioramenti di dieci volte nel ciclo di vita.

Il professor Kang ha detto, "La generazione e la stabilizzazione simultanea di elettrocatalizzatori a livello atomico all'interno dei MOF possono diversificare i materiali in base a numerose combinazioni di leganti metallici e organici. Può espandere non solo lo sviluppo di elettrocatalizzatori, ma anche vari campi di ricerca come fotocatalizzatori, medicinale, l'ambiente, e petrolchimica».

Questo studio è stato riportato in Scienze avanzate , dal titolo "Produzione e stabilizzazione autogena di particelle sub-nanometriche altamente caricate all'interno di strutture metallo-organiche cave multishell e loro utilizzo per alte prestazioni in Li-O ₂ batterie."