Nuevos materiales porosos ideales para las pilas de metal-aire
Las soluciones energéticas sostenibles no pueden surgir de la nada. Sin embargo, la combinación de aire con estructuras metálicas y de otro tipo puede allanar el camino hacia la conversión y el almacenamiento de energía respetuosos con el medio ambiente, según un equipo de investigación con sede en China.
En una revisión del estado actual de los marcos metalorgánicos estructuralmente diversos y de los marcos orgánicos covalentes con propiedades eléctricas únicas, los investigadores han descubierto que ofrecen un "gran potencial" para facilitar las reacciones necesarias para las pilas de metal-aire.
Nano Research Energy, Tsinghua University Press
El equipo publicó su estudio sobre nuevos materiales porosos, denominados marcos orgánicos metálicos (MOF) y marcos orgánicos covalentes (COF), y su potencial para el desarrollo de baterías de metal-aire el 3 de marzo en la revista Nano Research Energy.
Las estructuras de materiales cristalinos porosos comprenden diversas disposiciones de materiales enlazados que pueden inducir las propiedades deseadas, incluida la capacidad de acelerar las reacciones entre el oxígeno y los metales para la conversión y el almacenamiento de energía. Sus diversas disposiciones facilitan la flexibilidad, con una elevada porosidad y área superficial, lo que permite la mayor posibilidad de las reacciones necesarias. Sus derivados, o productos derivados de las estructuras, también aumentan la conductividad electrónica, hasta ahora insuficiente, y mejoran la estabilidad química.
Pero su avance se ha visto limitado por una conductividad y estabilidad inadecuadas, según Tao Wang, coautor del artículo y profesor del Centro de Hidroenergía de la Facultad de Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing.
"Las baterías de metal-aire, con una elevada energía específica, un precio moderado, gran seguridad y respeto por el medio ambiente, son las candidatas más prometedoras para el almacenamiento y la conversión de energía", afirma Wang. "En la actualidad, sin embargo, las baterías de metal-aire implican un complejo proceso catalítico de fases gas-líquido-sólido, lo que dificulta la comprensión profunda del mecanismo de los procesos de descarga y recarga".
Wang también señaló que algunas de las disposiciones de MOF y COF tienen una cinética de reacción lenta, lo que significa que se necesita un catalizador eficiente tanto para reducir los posibles problemas de conversión como para mejorar el ciclo de vida de la batería.
Para entender mejor cómo controlar las ventajas -y mitigar los problemas- de los armazones y sus derivados, los investigadores revisaron la bibliografía científica disponible. Entre otras cosas, descubrieron que los armazones presentan una estructura molecular única que permite una elevada porosidad con una distribución uniforme de los sitios catalíticos, lo que significa que sus reacciones pueden ser más predecibles que con otros materiales porosos.
"Al estudiar sistemáticamente los efectos entre los componentes orgánicos y los centros catalíticos activos de los MOF y los COF, podemos obtener una base teórica que nos permita seleccionar y sintetizar los catalizadores marco deseados en el futuro", afirmó Wang. "También podemos comprender mejor el microentorno local en los MOF y COF y cómo influye en el efecto catalítico global".
Wang y su equipo recomiendan seguir estudiando cómo preparar mejor los MOF y COF funcionalizados en función de su mecanismo de reacción; los MOF y COF híbridos; y el control de la composición y la morfología de los derivados de MOF y COF. También recomiendan desarrollar técnicas más avanzadas para detectar las señales de vibración de las moléculas en la superficie del electrodo y observar el proceso de conversión para dilucidar plenamente la relación entre la estructura y el rendimiento.
"Al revisar exhaustivamente las ventajas, los retos y las perspectivas de los MOF y los COF, esperamos que los materiales de estructura orgánica arrojen ideas más profundas sobre el desarrollo de la electrocatálisis y el almacenamiento de energía en el futuro", afirmó Wang.
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