Nieuwe poreuze materialen zijn ideaal voor metaal-luchtbatterijen, rapporteren onderzoekers

Duurzame energieoplossingen komen niet uit de lucht vallen. Volgens een in China gevestigd onderzoeksteam kan het combineren van lucht met metaal en andere structuren echter de weg vrijmaken voor milieuvriendelijke energieconversie en -opslag.

Ze publiceerden hun recensie van nieuwe poreuze materialen – metaal-organische raamwerken (MOF’s) en covalente organische raamwerken (COF’s) genoemd – en hun potentieel om metaal-luchtbatterijen vooruit te helpen in Nano-onderzoeksenergie.

De raamwerken van poreus kristalmateriaal omvatten verschillende arrangementen van gebonden materialen die gewenste eigenschappen kunnen induceren, waaronder het vermogen om reacties tussen zuurstof en metalen te versnellen voor energieconversie en opslag. Hun diverse arrangementen vergemakkelijken flexibiliteit, met een hoge porositeit en oppervlakte, waardoor de kans op de nodige reacties het grootst is. Hun derivaten, of producten die zijn afgeleid van de raamwerken, verbeteren ook voorheen onvoldoende elektronische geleidbaarheid en verbeteren de chemische stabiliteit.

Maar hun vooruitgang is beperkt door onvoldoende geleidbaarheid en stabiliteit, volgens co-corresponderende auteur Tao Wang, professor, Centrum voor Hydrogenergy, College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics.

“Metaal-luchtbatterijen, met een hoge specifieke energie, gematigde prijzen, hoge veiligheid en milieuvriendelijkheid, zijn de meest veelbelovende kandidaat voor energieopslag en -conversie,” zei Wang. “Op dit moment hebben metaal-luchtbatterijen echter een complex katalytisch proces van gas-vloeistof-vaste fasen, waardoor het moeilijk is om het mechanisme van ontladings- en oplaadprocessen grondig te begrijpen.”

Wang merkte ook op dat sommige van de MOF- en COF-arrangementen een langzame reactiekinetiek hebben, wat betekent dat een efficiënte katalysator nodig is, zowel om potentiële conversie-uitdagingen te verminderen als om de levensduur van de batterij te verbeteren.

Om beter te begrijpen hoe de voordelen van de raamwerken en hun afgeleiden kunnen worden beheerst – en de uitdagingen kunnen worden beperkt – hebben de onderzoekers de huidige beschikbare wetenschappelijke literatuur bekeken. Naast andere inzichten ontdekten ze dat de raamwerken een unieke moleculaire structuur vertonen die een hoge porositeit mogelijk maakt met een uniforme verdeling van katalytische sites, wat betekent dat hun reacties voorspelbaarder kunnen zijn dan met andere poreuze materialen.

“Door systematisch de effecten tussen organische componenten en katalytisch actieve centra van MOF’s en COF’s te bestuderen, kunnen we een theoretische basis krijgen om in de toekomst de gewenste raamwerkkatalysatoren te selecteren en te synthetiseren,” zei Wang. “We kunnen ook de lokale micro-omgeving in MOF’s en COF’s beter begrijpen en hoe deze het algehele katalytische effect beïnvloedt.”

Wang en het team bevelen verder onderzoek aan naar hoe gefunctionaliseerde MOF’s en COF’s beter kunnen worden voorbereid op basis van hun reactiemechanisme; van hybride MOF’s en COF’s; en van de samenstellingscontrole en morfologie van MOF- en COF-derivaten. Ze raden ook aan om meer geavanceerde technieken te ontwikkelen om de trillingssignalen van moleculen op het elektrode-oppervlak te detecteren en het conversieproces te observeren om de relatie tussen de structuur en de prestatie volledig op te helderen.

“Door de voordelen, uitdagingen en vooruitzichten van MOF’s en COF’s uitgebreid te bekijken, hopen we dat de organische raamwerkmaterialen meer diepgaande inzichten zullen verschaffen in de ontwikkeling van elektrokatalyse en energieopslag in de toekomst,” zei Wang.