En kemisk etsmetod för att vidga porerna i metall-organiska ramverk (MOF) skulle kunna förbättra olika tillämpningar av MOF, inklusive i bränsleceller och som katalysatorer. Forskare vid Nagoya University i Japan och East China Normal University i Kina utvecklade den nya metoden tillsammans med medarbetare på andra håll i Japan, Australien och Kina, och deras arbete publicerades i Journal of the American Chemical Society.
MOF är porösa material som består av metallkluster eller joner sammankopplade av kolbaserade (organiska) länkgrupper. Att variera de metalliska och organiska komponenterna genererar en mängd olika MOF som är lämpliga för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive katalys, kemisk separation och gaslagring.
Vissa MOFs har tydlig potential för att katalysera de kemiska reaktionerna inuti bränsleceller, som undersöks som grunden för förnybara energisystem. Eftersom de inte använder fossila bränslen kan bränsleceller spela en nyckelroll i övergången till en ekonomi med låga eller nollutsläpp för att bekämpa klimatförändringarna.
"Det har dock funnits ett problem med att använda MOF eftersom katalysatorskiktet är för tjockt och deras porstruktur är otillräckligt öppen för att tillåta nödvändig överföring av kemikalier. Detta förvärrar de tröga masstransportegenskaperna hos katalysatorskiktet och begränsar applikationen av MOFs i många förnybara energisystem, särskilt för protonutbytesmembranbränslecellstillämpningar (PEMFC)."
"Så, ett växande intresse har varit att konstruera ihåliga MOF med öppna porstrukturer för att öka reaktantpenetration och förkorta massdiffusionsvägar. Detta gör det möjligt för oss att utveckla oöverträffade morfologier och ihåliga strukturer med öppna porstrukturer i en enda MOF-nanopartikel som en prekursor för PEMFC-katalysatorer, som frigör potentialen hos avancerade material för PEMFC-applikationer", förklarar Yusuke Yamauchi från Nagoya-teamet. Den kemiska instabiliteten hos befintliga MOF har också varit ett hinder för deras användning.
Forskarna använde kemiska blandningar för att etsa en mer öppen struktur genom en MOF. Efter en första cykel av etsning blev det inre av MOF mer poröst, vilket innebär att det kunde laddas med järnjoner som är avgörande för katalys. Denna MOF har individuella järnjoner förankrade genom sin öppna struktur, vilket gör att varje jon kan vara individuellt katalytiskt aktiv. De slutliga katalysatorerna, kända som OP-Fe-NC, erhölls genom att den slutliga MOF utsattes för kalcineringsbehandling i en inert atmosfär.
Preliminära simuleringar tyder på att denna struktur kommer att avsevärt förbättra rörelsen av syre genom materialet, vilket avsevärt borde förbättra dess aktivitet och stabilitet. De lovande resultaten framhäver potentialen hos OP-Fe-NC som en effektiv elektrokatalysator för olika energilagrings- och omvandlingsanordningar.
För detta arbete gav användningen av OP-Fe-NC som en katodkatalysator extraordinär Oxygen Reduction Reaction (ORR) aktivitet och utmärkt stabilitet i sura medier, vilket är ännu bättre än den kommersiella Platina/Carbon-katalysatorn. I bränslecellen visade OP-Fe-NC en hög strömtäthet, vilket var nära det amerikanska energidepartementets (DOE) 2025-mål.
"Detta arbete ger ett nytt tillvägagångssätt för att designa och optimera högeffektiva katalysatorer för ORR genom att samtidigt öka den inneboende katalytiska aktiviteten för de aktiva platserna och effektivt utnyttja de aktiva platserna i katalysatorskiktet", säger Wei Xia vid East China Normal University, Kina .
Efter att ha demonstrerat potentialen i deras metod i princip planerar forskarna nu att utforska hur andra kemiska modifieringar kan optimera metoden för att producera material som är anpassade till olika verkliga situationer. "Vi avser att överbrygga klyftan mellan experimentellt arbete och praktiska tillämpningar och förhoppningsvis ge ett verkligt bidrag till strävan mot hållbara energilösningar", säger Yamauchi.
Mer information: Jingjing Li et al, Selektiv etsning av metall-organiska ramar för öppna porösa strukturer:masseffektiva katalysatorer med förbättrad syrereduktionsreaktion för bränsleceller, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c05544
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Nagoya University
