Kemisk ætsningsmetode åbner porer for brændselsceller og mere

En kemisk ætsningsmetode til at udvide porerne i metal-organiske rammer (MOF'er) kunne forbedre forskellige anvendelser af MOF'er, herunder i brændselsceller og som katalysatorer. Forskere ved Nagoya University i Japan og East China Normal University i Kina udviklede den nye metode sammen med samarbejdspartnere andre steder i Japan, Australien og Kina, og deres arbejde blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society.

MOF'er er porøse materialer sammensat af metalklynger eller ioner forbundet med kulstofbaserede (organiske) linkergrupper. Variering af de metalliske og organiske komponenter genererer en række MOF'er, der er egnede til en bred vifte af applikationer, herunder katalyse, kemisk separation og gaslagring.

Nogle MOF'er har et klart potentiale til at katalysere de kemiske reaktioner inde i brændselsceller, som er ved at blive udforsket som grundlaget for vedvarende energisystemer. Fordi de ikke bruger fossile brændstoffer, kan brændselsceller spille en nøglerolle i overgangen til en lav- eller nul-emissionsøkonomi for at bekæmpe klimaændringer.

"Der har dog været et problem med at bruge MOF'er, fordi katalysatorlaget er for tykt, og deres porestruktur er utilstrækkeligt åben til at tillade den nødvendige overførsel af kemikalier. Dette forværrer katalysatorlagets træge massetransportegenskaber og begrænser anvendelsen af MOF'er i mange vedvarende energisystemer, især til proton-udvekslingsmembranbrændselscelle (PEMFC) applikationer."

"Så en voksende interesse har været i at konstruere hule MOF'er med åbne porestrukturer for at øge reaktantgennemtrængning og forkorte massediffusionsveje. Dette gør det muligt for os at udarbejde hidtil usete morfologier og hule strukturer med åbne porestrukturer i en enkelt MOF-nanopartikel som en forløber for PEMFC-katalysatorer, der frigør potentialet for avancerede materialer til PEMFC-applikationer," forklarer Yusuke Yamauchi fra Nagoya-teamet. Den kemiske ustabilitet af eksisterende MOF'er har også været en barriere for deres anvendelse.

Forskerne brugte kemiske blandinger til at ætse en mere åben struktur gennem en MOF. Efter en indledende cyklus med ætsning blev det indre af MOF mere porøst, hvilket betyder, at det kunne være fyldt med jernioner, der er afgørende for katalyse. Denne MOF har individuelle jernioner forankret i hele dens åbne struktur, hvilket gør det muligt for hver ion at være individuelt katalytisk aktiv. De endelige katalysatorer, kendt som OP-Fe-NC, blev opnået ved at udsætte den endelige MOF for kalcineringsbehandling i en inert atmosfære.

Foreløbige simuleringer tyder på, at denne struktur i høj grad vil forbedre bevægelsen af ​​ilt gennem materialet, hvilket skulle forbedre dets aktivitet og stabilitet betydeligt. De lovende resultater fremhæver potentialet ved OP-Fe-NC som en effektiv elektrokatalysator til forskellige energilagrings- og konverteringsenheder.

Til dette arbejde leverede brug af OP-Fe-NC som en katodekatalysator ekstraordinær Oxygen Reduction Reaction (ORR) aktivitet og fremragende stabilitet i sure medier, hvilket er endnu bedre end den kommercielle Platin/Carbon-katalysator. I brændselscellen viste OP-Fe-NC en høj strømtæthed, som var tæt på det amerikanske energiministeriums (DOE) 2025-mål.

"Dette arbejde giver en ny tilgang til at designe og optimere højeffektive katalysatorer til ORR ved samtidig at øge de iboende katalytiske aktiviteter af de aktive steder og effektivt udnytte de aktive steder i katalysatorlaget," siger Wei Xia ved East China Normal University, Kina .

Efter at have demonstreret potentialet i deres metode i princippet, planlægger forskerne nu at udforske, hvordan andre kemiske modifikationer kan optimere tilgangen til at producere materialer, der passer til forskellige virkelige situationer. "Vi har til hensigt at bygge bro mellem eksperimentelt arbejde og praktiske anvendelser og forhåbentlig give et reelt bidrag til indsatsen mod bæredygtige energiløsninger," siger Yamauchi.

Flere oplysninger: Jingjing Li et al., Selektiv ætsning af metal-organiske rammer for åbne porøse strukturer:Masseeffektive katalysatorer med forbedret iltreduktionsreaktion for brændselsceller, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c05544

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af Nagoya University