Een chemische etsmethode voor het vergroten van de poriën van metaal-organische raamwerken (MOF's) zou verschillende toepassingen van MOF's kunnen verbeteren, waaronder in brandstofcellen en als katalysatoren. Onderzoekers van de Nagoya Universiteit in Japan en de East China Normal University in China ontwikkelden de nieuwe methode met medewerkers elders in Japan, Australië en China, en hun werk werd gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.

MOF's zijn poreuze materialen die zijn samengesteld uit metaalclusters of ionen die met elkaar zijn verbonden door op koolstof gebaseerde (organische) linkergroepen. Door de metallische en organische componenten te variëren, ontstaat een verscheidenheid aan MOF's die geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen, waaronder katalyse, chemische scheiding en gasopslag.

Sommige MOF's hebben een duidelijk potentieel voor het katalyseren van de chemische reacties in brandstofcellen, die worden onderzocht als de basis van hernieuwbare energiesystemen. Omdat ze geen fossiele brandstoffen gebruiken, kunnen brandstofcellen een sleutelrol spelen in de transitie naar een economie met lage of nul-uitstoot om de klimaatverandering te bestrijden.

"Er is echter een probleem geweest bij het gebruik van MOF's omdat de katalysatorlaag te dik is en hun poriënstructuur onvoldoende open is om de noodzakelijke overdracht van chemicaliën mogelijk te maken. Dit verergert de trage massatransporteigenschappen van de katalysatorlaag en beperkt de toepassing van MOF's in veel hernieuwbare energiesystemen, met name voor toepassingen met protonenuitwisselingsmembraanbrandstofcellen (PEMFC).

"Er is dus een groeiende belangstelling voor het construeren van holle MOF's met open-poriestructuren om de penetratie van reactanten te stimuleren en de massadiffusiepaden te verkorten. Dit maakt het voor ons mogelijk om ongekende morfologieën en holle structuren met open-poriestructuren uit te werken in een enkel MOF-nanodeeltje als een voorloper voor PEMFC-katalysatoren, waardoor het potentieel van geavanceerde materialen voor PEMFC-toepassingen wordt ontsloten", legt Yusuke Yamauchi van het Nagoya-team uit. De chemische instabiliteit van bestaande MOF's vormde ook een belemmering voor het gebruik ervan.

De onderzoekers gebruikten chemische mengsels om een ​​meer open structuur door een MOF heen te etsen. Na een eerste etscyclus werd de binnenkant van de MOF poreuzer, wat betekent dat deze geladen kon worden met ijzerionen die cruciaal zijn voor de katalyse. Deze MOF heeft individuele ijzerionen verankerd in de open structuur, waardoor elk ion individueel katalytisch actief kan zijn. De uiteindelijke katalysatoren, bekend als OP-Fe-NC, werden verkregen door de uiteindelijke MOF te onderwerpen aan een calcinatiebehandeling in een inerte atmosfeer.

Voorlopige simulaties suggereren dat deze structuur de beweging van zuurstof door het materiaal aanzienlijk zal verbeteren, wat de activiteit en stabiliteit ervan aanzienlijk zou moeten verbeteren. De veelbelovende resultaten benadrukken het potentieel van OP-Fe-NC als effectieve elektrokatalysator voor verschillende apparaten voor energieopslag en -conversie.

Voor dit werk leverde het gebruik van OP-Fe-NC als kathodekatalysator een buitengewone activiteit van de zuurstofreductiereactie (ORR) en een uitstekende stabiliteit in zure media op, wat zelfs beter is dan de commerciële platina/koolstofkatalysator. In de brandstofcel vertoonde OP-Fe-NC een hoge stroomdichtheid, die dicht bij de doelstelling van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) voor 2025 lag.

"Dit werk biedt een nieuwe aanpak voor het ontwerpen en optimaliseren van zeer efficiënte katalysatoren voor ORR door tegelijkertijd de intrinsieke katalytische activiteiten van de actieve sites te vergroten en de actieve sites in de katalysatorlaag effectief te gebruiken", zegt Wei Xia van de East China Normal University, China. .

Nadat ze het potentieel van hun methode in principe hebben aangetoond, zijn de onderzoekers nu van plan om te onderzoeken hoe andere chemische modificaties de aanpak kunnen optimaliseren om materialen te produceren die geschikt zijn voor verschillende situaties in de echte wereld. "We zijn van plan de kloof tussen experimenteel werk en praktische toepassingen te overbruggen en hopelijk een echte bijdrage te leveren aan het streven naar duurzame energieoplossingen", zegt Yamauchi.

Meer informatie: Jingjing Li et al., Selectief etsen van metaal-organische raamwerken voor open poreuze structuren:massa-efficiënte katalysatoren met verbeterde zuurstofreductiereactie voor brandstofcellen, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c05544

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Aangeboden door Nagoya Universiteit