Eine chemische Ätzmethode zur Erweiterung der Poren metallorganischer Gerüste (MOFs) könnte verschiedene Anwendungen von MOFs verbessern, unter anderem in Brennstoffzellen und als Katalysatoren. Forscher der Universität Nagoya in Japan und der East China Normal University in China entwickelten die neue Methode gemeinsam mit Kollegen in anderen Teilen Japans, Australiens und Chinas veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society.
MOFs sind poröse Materialien, die aus Metallclustern oder -ionen bestehen, die durch kohlenstoffbasierte (organische) Linkergruppen miteinander verbunden sind. Durch Variation der metallischen und organischen Komponenten entsteht eine Vielzahl von MOFs, die für ein breites Anwendungsspektrum geeignet sind, darunter Katalyse, chemische Trennung und Gasspeicherung.
Einige MOFs haben eindeutig das Potenzial, die chemischen Reaktionen in Brennstoffzellen zu katalysieren, die als Grundlage für erneuerbare Energiesysteme erforscht werden. Da sie keine fossilen Brennstoffe nutzen, könnten Brennstoffzellen eine Schlüsselrolle beim Übergang zu einer emissionsarmen oder emissionsfreien Wirtschaft zur Bekämpfung des Klimawandels spielen.
„Bei der Verwendung von MOFs gab es jedoch ein Problem, da die Katalysatorschicht zu dick ist und ihre Porenstruktur nicht ausreichend offen ist, um den notwendigen Transfer von Chemikalien zu ermöglichen. Dies verschärft die trägen Massentransporteigenschaften der Katalysatorschicht und schränkt die Anwendung ein.“ von MOFs in vielen erneuerbaren Energiesystemen, insbesondere für Anwendungen in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC).
„Daher besteht ein wachsendes Interesse an der Konstruktion hohler MOFs mit offenen Porenstrukturen, um das Eindringen von Reaktanten zu steigern und die Massendiffusionswege zu verkürzen. Dies ermöglicht es uns, beispiellose Morphologien und Hohlstrukturen mit offenen Porenstrukturen in einem einzigen MOF-Nanopartikel zu entwickeln.“ „Vorläufer für PEMFC-Katalysatoren, der das Potenzial fortschrittlicher Materialien für PEMFC-Anwendungen erschließt“, erklärt Yusuke Yamauchi vom Nagoya-Team. Die chemische Instabilität bestehender MOFs war ebenfalls ein Hindernis für deren Verwendung.
Die Forscher verwendeten chemische Mischungen, um eine offenere Struktur in ein MOF zu ätzen. Nach einem ersten Ätzzyklus wurde das Innere des MOF poröser, was bedeutete, dass es mit Eisenionen beladen werden konnte, die für die Katalyse entscheidend sind. In der offenen Struktur dieses MOF sind einzelne Eisenionen verankert, sodass jedes Ion individuell katalytisch aktiv ist. Die endgültigen Katalysatoren, bekannt als OP-Fe-NC, wurden erhalten, indem das endgültige MOF einer Kalzinierungsbehandlung in einer inerten Atmosphäre unterzogen wurde.
Vorläufige Simulationen deuten darauf hin, dass diese Struktur die Bewegung von Sauerstoff durch das Material erheblich verbessern wird, was seine Aktivität und Stabilität deutlich erhöhen dürfte. Die vielversprechenden Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von OP-Fe-NC als effektiver Elektrokatalysator für verschiedene Energiespeicher- und -umwandlungsgeräte.
Für diese Arbeit lieferte die Verwendung von OP-Fe-NC als Kathodenkatalysator eine außergewöhnliche Aktivität der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und eine ausgezeichnete Stabilität in sauren Medien, die sogar besser ist als der kommerzielle Platin/Kohlenstoff-Katalysator. In der Brennstoffzelle zeigte OP-Fe-NC eine hohe Stromdichte, die nahe am Ziel des US-Energieministeriums (DOE) für 2025 lag.
„Diese Arbeit bietet einen neuen Ansatz für die Entwicklung und Optimierung hocheffizienter Katalysatoren für die ORR, indem gleichzeitig die intrinsischen katalytischen Aktivitäten der aktiven Zentren erhöht und die aktiven Zentren in der Katalysatorschicht effektiv genutzt werden“, sagt Wei Xia von der East China Normal University, China .
Nachdem die Forscher das grundsätzliche Potenzial ihrer Methode demonstriert haben, wollen sie nun untersuchen, wie andere chemische Modifikationen den Ansatz optimieren könnten, um Materialien herzustellen, die für verschiedene reale Situationen geeignet sind. „Wir wollen die Lücke zwischen experimenteller Arbeit und praktischer Anwendung schließen und hoffentlich einen echten Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger Energielösungen leisten“, sagt Yamauchi.
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Jingjing Li et al., Selektives Ätzen metallorganischer Gerüste für offene poröse Strukturen: Masseneffiziente Katalysatoren mit verbesserter Sauerstoffreduktionsreaktion für Brennstoffzellen, Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c05544