Descifran la estructura de prometedores materiales para baterías

La familia de compuestos podría algún día ser útil para pilas de combustible, supercondensadores, catalizadores y sensores.Investigadores del MIT y otras instituciones han encontrado una manera de estabilizar el crecimiento de cristales de varios tipos de estructuras organometálicas o MOF. Esta imagen muestra dos micrografías de microscopía electrónica de barrido (SEM) de Cu3HHTT2 y Co6HHTT3 que se pueden aislar a pedido con morfología en forma de varilla o de placa (recuadro) variando las condiciones sintéticas.
David L. Chandler | Oficina de noticias del MIT
Créditos: Cortesía de los investigadores y editado por MIT News

Una clase de materiales llamados armazones organometálicos, o MOF, ha atraído un interés considerable en los últimos años por una variedad de aplicaciones potenciales relacionadas con la energía, especialmente desde que los investigadores descubrieron que estos materiales típicamente aislantes también podrían hacerse eléctricamente conductores.

Gracias a la extraordinaria combinación de porosidad y conductividad de los MOF, este hallazgo abrió la posibilidad de nuevas aplicaciones en baterías, pilas de combustible, supercondensadores, electrocatalizadores y sensores químicos especializados. Pero el proceso de desarrollo de materiales MOF específicos que posean las características deseadas ha sido lento. Eso se debe en gran parte a que ha sido difícil averiguar su estructura molecular exacta y cómo influye en las propiedades del material.

Ahora, los investigadores del MIT y otras instituciones han encontrado una manera de controlar el crecimiento de cristales de varios tipos de MOF. Esto hizo posible producir cristales lo suficientemente grandes como para ser probados por una batería de pruebas, lo que permitió al equipo decodificar finalmente la estructura de estos materiales, que se asemejan a las redes hexagonales bidimensionales de materiales como el grafeno.

Los hallazgos se describen hoy en la revista Nature Materials, en un artículo de un equipo de 20 en el MIT y otras universidades en los EE. UU., China y Suecia, dirigido por el profesor de energía WM Keck Mircea Dincă del Departamento de Química del MIT.

Desde que se descubrieron los MOF conductivos hace unos años, dice Dincă, muchos equipos han estado trabajando para desarrollar versiones para muchas aplicaciones diferentes, «pero nadie había podido obtener una estructura del material con tantos detalles». Cuanto mejor se entienden los detalles de esas estructuras, dice, “te ayuda a diseñar mejores materiales y mucho más rápido. Y eso es lo que hemos hecho aquí: proporcionamos la primera estructura cristalina detallada con resolución atómica «.

La dificultad para hacer crecer cristales que fueran lo suficientemente grandes para tales estudios, dice, radica en los enlaces químicos dentro de los MOF. Estos materiales consisten en una red de átomos metálicos y moléculas orgánicas que tienden a formarse en cristales torcidos con forma de agujas o hilos, porque los enlaces químicos que conectan los átomos en el plano de su red hexagonal son más difíciles de formar y más difíciles de romper. Por el contrario, los enlaces en la dirección vertical son mucho más débiles y, por lo tanto, se siguen rompiendo y reformando a un ritmo más rápido, lo que hace que las estructuras se eleven más rápido de lo que pueden extenderse. Los cristales delgados resultantes eran demasiado pequeños para ser caracterizados por la mayoría de las herramientas disponibles.

El equipo resolvió ese problema cambiando la estructura molecular de uno de los compuestos orgánicos en el MOF para que cambiara el equilibrio de la densidad de electrones y la forma en que interactúa con el metal. Esto revirtió el desequilibrio en la fuerza de la unión y las tasas de crecimiento, lo que permitió que se formaran láminas de cristal mucho más grandes. Estos cristales más grandes se analizaron luego utilizando una batería de técnicas de imágenes basadas en difracción de alta resolución.

Como fue el caso del grafeno, encontrar formas de producir láminas más grandes del material podría ser la clave para desbloquear el potencial de este tipo de MOF, dice Dincă. Inicialmente, el grafeno solo se podía producir usando cinta adhesiva para despegar capas de un solo átomo de espesor de un bloque de grafito, pero con el tiempo se han desarrollado métodos para producir directamente láminas lo suficientemente grandes como para ser útiles. La esperanza es que las técnicas desarrolladas en este estudio puedan ayudar a allanar el camino hacia avances similares para los MOF, dice Dincă.

«Básicamente, esto proporciona una base y un plan para hacer grandes cristales de MOF bidimensionales», dice.

Al igual que con el grafeno, pero a diferencia de la mayoría de los otros materiales conductores, los MOF conductores tienen una fuerte direccionalidad de su conductividad eléctrica: conducen mucho más libremente a lo largo del plano de la hoja de material que en la dirección perpendicular.

Esta propiedad, combinada con la muy alta porosidad del material, podría convertirlo en un fuerte candidato para ser utilizado como material de electrodo para baterías, pilas de combustible o supercondensadores. Y cuando sus componentes orgánicos tienen ciertos grupos de átomos unidos a ellos que se unen a otros compuestos particulares, podrían usarse como detectores químicos muy sensibles.

El grafeno y el puñado de otros materiales 2D conocidos han abierto una amplia franja de investigación en aplicaciones potenciales en electrónica y otros campos, pero esos materiales tienen propiedades esencialmente fijas. Debido a que los MOF comparten muchas de las características de esos materiales, pero forman una amplia familia de posibles variaciones con diferentes propiedades, deberían permitir a los investigadores diseñar los tipos específicos de materiales necesarios para un uso particular, dice Dincă.

Para las celdas de combustible, por ejemplo, «quieres algo que tenga muchos sitios activos» para reactividad en la gran superficie proporcionada por la estructura con su celosía abierta, dice. O para que un sensor controle los niveles de un gas en particular, como el dióxido de carbono, «quiere algo que sea específico y no dé falsos positivos». Este tipo de propiedades se pueden diseñar mediante la selección de los compuestos orgánicos utilizados para producir los MOF, dice.

«Este trabajo establece una clara correlación entre la estructura y las propiedades de una clase importante de materiales que juega un papel crítico en el desarrollo de futuras aplicaciones novedosas del Ejército en detección, potencia y energía, etc.», dice Pani Varanasi, gerente de programa en la Oficina de Investigaciones del Ejército, que no participó en este trabajo.

El equipo incluía investigadores de los departamentos de Química, Biología e Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT; La Universidad de Pekín y la Universidad de Investigación Avanzada de Shanghai en China; Universidad de Estocolmo en Suecia; la Universidad de Oregon; y la Universidad de Purdue. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos.

«Reimpreso con permiso de MIT News»



Términos relacionados:

Comparte el artículo en tus redes sociales:

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on whatsapp
Share on email
Share on pinterest

Esta web utiliza cookies propias y de terceros para su correcto funcionamiento y para fines analíticos y para fines de afiliación y para mostrarte publicidad relacionada con sus preferencias en base a un perfil elaborado a partir de tus hábitos de navegación. Al hacer clic en el botón Aceptar, acepta el uso de estas tecnologías y el procesamiento de sus datos para estos propósitos. Más información
Privacidad
Ir al contenido