Um método de gravação química para ampliar os poros de estruturas metal-orgânicas (MOFs) poderia melhorar várias aplicações de MOFs, inclusive em células de combustível e como catalisadores. Pesquisadores da Universidade de Nagoya, no Japão, e da East China Normal University, na China, desenvolveram o novo método com colaboradores em outras partes do Japão, Austrália e China, e seu trabalho foi publicado no Journal of the American Chemical Society.



MOFs são materiais porosos compostos de aglomerados metálicos ou íons interconectados por grupos ligantes (orgânicos) à base de carbono. A variação dos componentes metálicos e orgânicos gera uma variedade de MOFs adequados para uma ampla gama de aplicações, incluindo catálise, separação química e armazenamento de gás.

Alguns MOFs têm um claro potencial para catalisar as reações químicas dentro das células de combustível, que estão a ser exploradas como base de sistemas de energia renovável. Como não utilizam combustíveis fósseis, as células de combustível podem desempenhar um papel fundamental na transição para uma economia com baixas ou zero emissões para combater as alterações climáticas.

"No entanto, tem havido um problema no uso de MOFs porque a camada de catalisador é muito espessa e sua estrutura de poros é insuficientemente aberta para permitir a transferência necessária de produtos químicos. Isso exacerba as propriedades lentas de transporte de massa da camada de catalisador e limita a aplicação de MOFs em muitos sistemas de energia renovável, particularmente para aplicações de células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC).

"Portanto, um interesse crescente tem sido na construção de MOFs ocos com estruturas de poros abertos para aumentar a penetração dos reagentes e encurtar os caminhos de difusão de massa. Isso nos permite elaborar morfologias sem precedentes e estruturas ocas com estruturas de poros abertos em uma única nanopartícula MOF como um precursor de catalisadores PEMFC, liberando o potencial de materiais avançados para aplicações PEMFC", explica Yusuke Yamauchi, da equipe de Nagoya. A instabilidade química dos MOFs existentes também tem sido uma barreira à sua utilização.

Os pesquisadores usaram misturas químicas para gravar uma estrutura mais aberta em todo o MOF. Após um ciclo inicial de ataque, o interior do MOF tornou-se mais poroso, o que significa que poderia ser carregado com íons de ferro que são cruciais para a catálise. Este MOF possui íons de ferro individuais ancorados em toda a sua estrutura aberta, permitindo que cada íon seja individualmente cataliticamente ativo. Os catalisadores finais, conhecidos como OP-Fe-NC, foram obtidos submetendo o MOF final ao tratamento de calcinação em atmosfera inerte.

Simulações preliminares sugerem que esta estrutura melhorará muito o movimento do oxigênio através do material, o que deverá aumentar significativamente a sua atividade e estabilidade. Os resultados promissores destacam o potencial do OP-Fe-NC como um eletrocatalisador eficaz para vários dispositivos de armazenamento e conversão de energia.

Para este trabalho, o uso de OP-Fe-NC como catalisador catódico proporcionou extraordinária atividade de reação de redução de oxigênio (ORR) e excelente estabilidade em meio ácido, que é ainda melhor do que o catalisador comercial de platina/carbono. Na célula de combustível, o OP-Fe-NC apresentou uma alta densidade de corrente, próxima da meta do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para 2025.

"Este trabalho fornece uma nova abordagem para projetar e otimizar catalisadores de alta eficiência para ORR, aumentando simultaneamente as atividades catalíticas intrínsecas dos sítios ativos e utilizando efetivamente os sítios ativos na camada de catalisador", diz Wei Xia, da East China Normal University, China. .

Tendo demonstrado o potencial do seu método em princípio, os investigadores planeiam agora explorar como outras modificações químicas poderiam otimizar a abordagem para produzir materiais adequados a diferentes situações do mundo real. “Pretendemos preencher a lacuna entre o trabalho experimental e as aplicações práticas, fazendo assim uma contribuição real para a busca por soluções energéticas sustentáveis”, diz Yamauchi.

Mais informações: Jingjing Li et al, Gravura seletiva de estruturas metal-orgânicas para estruturas porosas abertas:catalisadores eficientes em massa com reação de redução de oxigênio aprimorada para células de combustível, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c05544
Informações do diário: Jornal da Sociedade Americana de Química

Fornecido pela Universidade de Nagoya