Onderzoekers hebben een nieuw elektrodemateriaal gepresenteerd voor een geavanceerd energieopslagapparaat dat direct wordt geladen met zuurstof uit de lucht. Het team van professor Jeung Ku Kang synthetiseerde en bewaarde de sub-nanometrische deeltjes van atomaire clustergroottes bij hoge massaladingen binnen metaal-organische raamwerken (MOF) door het gedrag van reactanten op moleculair niveau te regelen. Deze nieuwe strategie zorgt voor hoge prestaties voor lithium-zuurstofbatterijen, geprezen als een technologie voor energieopslag van de volgende generatie en veel gebruikt in elektrische voertuigen.

Lithium-zuurstofbatterijen kunnen in principe tien keer hogere energiedichtheden genereren dan conventionele lithium-ionbatterijen, maar ze lijden aan een zeer slechte cyclusbaarheid. Een van de methoden om de cyclusstabiliteit te verbeteren, is het verminderen van de overpotentiaal van elektrokatalysatoren in kathode-elektroden. Wanneer de grootte van een elektrokatalysatormateriaal wordt teruggebracht tot het atomaire niveau, de verhoogde oppervlakte-energie leidt tot verhoogde activiteit terwijl de agglomeratie van het materiaal aanzienlijk wordt versneld.

Als oplossing voor deze uitdaging Professor Kang van de afdeling Materials Science and Engineering wilde de verbeterde activiteit behouden door elektrokatalysatoren op atomaire schaal te stabiliseren in de sub-nanometrische ruimtes. Dit is een nieuwe strategie voor het gelijktijdig produceren en stabiliseren van elektrokatalysatoren op atomair niveau binnen metaal-organische raamwerken (MOF's).

Metaal-organische raamwerken assembleren continu metaalionen en organische linkers.

Het team controleerde waterstofaffiniteiten tussen watermoleculen om ze te scheiden en de geïsoleerde watermoleculen één voor één over te brengen door de sub-nanometrische poriën van MOF's. De overgedragen watermoleculen reageerden met kobaltionen om di-nucleaire kobalthydroxide te vormen onder nauwkeurig gecontroleerde synthetische omstandigheden, dan wordt het kobalthydroxide op atomair niveau gestabiliseerd in de subnanometrische poriën.

Het di-nucleaire kobalthydroxide dat is gestabiliseerd in de sub-nanometrische poriën van metaal-organische raamwerken (MOF's) verminderde het overpotentieel met 63,9% en liet een tienvoudige verbetering zien in de levenscyclus.

Professor Kang zei:"Het gelijktijdig genereren en stabiliseren van elektrokatalysatoren op atomair niveau binnen MOF's kan materialen diversifiëren volgens talrijke combinaties van metaal en organische linkers. Het kan niet alleen de ontwikkeling van elektrokatalysatoren uitbreiden, maar ook diverse onderzoeksgebieden zoals fotokatalysatoren, medicijn, de omgeving, en petrochemie."

Deze studie werd gerapporteerd in Geavanceerde wetenschap , getiteld "Autogene productie en stabilisatie van sterk geladen sub-nanometrische deeltjes binnen multishell holle metaal-organische kaders en hun gebruik voor hoge prestaties in Li-O ₂ Batterijen."