Neuartige poröse Materialien sind ideal für Metall-Luft-Batterien, berichten Forscher

Nachhaltige Energielösungen können nicht aus dem Nichts gezogen werden. Laut einem in China ansässigen Forschungsteam kann die Kombination von Luft mit Metall und anderen Gerüsten jedoch den Weg für eine umweltfreundliche Energieumwandlung und -speicherung ebnen.

Sie veröffentlichten ihre Übersicht über neuartige poröse Materialien – sogenannte metallorganische Gerüste (MOFs) und kovalente organische Gerüste (COFs) – und ihr Potenzial, Metall-Luft-Batterien voranzubringen Nano-Forschungsenergie.

Die Gerüste aus porösem Kristallmaterial umfassen verschiedene Anordnungen von gebundenen Materialien, die gewünschte Eigenschaften hervorrufen können, einschließlich der Fähigkeit, Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen zur Energieumwandlung und -speicherung zu beschleunigen. Ihre vielfältigen Anordnungen erleichtern die Flexibilität, mit hoher Porosität und Oberfläche, was die besten Chancen für die notwendigen Reaktionen ermöglicht. Ihre Derivate oder von den Gerüsten abgeleitete Produkte verbessern auch die zuvor unzureichende elektronische Leitfähigkeit und verbessern die chemische Stabilität.

Ihr Fortschritt wurde jedoch durch unzureichende Leitfähigkeit und Stabilität begrenzt, so der Mitautor Tao Wang, Professor am Center for Hydrogenergy, College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics.

„Metall-Luft-Batterien mit hoher spezifischer Energie, moderaten Preisen, hoher Sicherheit und Umweltfreundlichkeit sind der vielversprechendste Kandidat für die Energiespeicherung und -umwandlung“, sagte Wang. „Derzeit beinhalten Metall-Luft-Batterien jedoch einen komplexen katalytischen Prozess aus Gas-Flüssigkeit-Fest-Phasen, was es schwierig macht, den Mechanismus der Entlade- und Wiederaufladevorgänge tiefgehend zu verstehen.“

Wang bemerkte auch, dass einige der MOF- und COF-Anordnungen eine langsame Reaktionskinetik aufweisen, was bedeutet, dass ein effizienter Katalysator benötigt wird, um sowohl potenzielle Umwandlungsprobleme zu reduzieren als auch den Lebenszyklus der Batterie zu verbessern.

Um besser zu verstehen, wie die Vorteile der Frameworks und ihrer Derivate kontrolliert und die Herausforderungen gemildert werden können, überprüften die Forscher die aktuell verfügbare wissenschaftliche Literatur. Unter anderem fanden sie heraus, dass die Gerüste eine einzigartige molekulare Struktur aufweisen, die eine hohe Porosität mit gleichmäßiger Verteilung der katalytischen Stellen ermöglicht, was bedeutet, dass ihre Reaktionen besser vorhersagbar sind als bei anderen porösen Materialien.

„Durch die systematische Untersuchung der Effekte zwischen organischen Komponenten und katalytisch aktiven Zentren von MOFs und COFs können wir eine theoretische Grundlage für die zukünftige Auswahl und Synthese der gewünschten Gerüstkatalysatoren gewinnen“, sagte Wang. „Wir können auch die lokale Mikroumgebung in MOFs und COFs besser verstehen und wie sie sich auf die katalytische Gesamtwirkung auswirkt.“

Wang und das Team empfehlen weitere Studien darüber, wie funktionalisierte MOFs und COFs basierend auf ihrem Reaktionsmechanismus besser hergestellt werden können; von hybriden MOFs und COFs; und der Zusammensetzungskontrolle und Morphologie von MOF- und COF-Derivaten. Sie empfehlen auch die Entwicklung fortschrittlicherer Techniken zur Erkennung der Schwingungssignale von Molekülen auf der Elektrodenoberfläche und zur Beobachtung des Umwandlungsprozesses, um die Beziehung zwischen der Struktur und der Leistung vollständig aufzuklären.

„Durch die umfassende Überprüfung der Vorteile, Herausforderungen und Perspektiven von MOFs und COFs hoffen wir, dass die organischen Gerüstmaterialien in Zukunft tiefere Einblicke in die Entwicklung der Elektrokatalyse und Energiespeicherung geben werden“, sagte Wang.