Vedenkestävät ja kierrätettävät redox-aktiiviset MOFit akkuihin

Redox-aktiiviset metalli-orgaaniset kehysrakenteet (RAMOF) ovat erittäin huokoisia materiaaleja, jotka koostuvat metalleista ja orgaanisista molekyyleistä, jotka ovat liittyneet toisiinsa koordinaatiosidoksilla, ja ne sisältävät redox-aktiivisia kohtia, jotka voivat varastoida elektroneja (protoneja).

RAMOFit ovat lupaavia ehdokkaita akkujen elektrodien aktiivisiksi materiaaleiksi. Koska RAMOFien koordinaatiosidokset ovat kuitenkin usein alttiita hajoamaan vedessä, erityisesti happamissa vesiliuoksissa, niiden sovelluksia vesipohjaisten laitteiden materiaaleina happamia vesiliuoksia käytettäessä on pidetty haasteena.

Tämän korjaamiseksi Tohokun yliopiston ja Keion yliopiston tutkimusryhmä esitteli ensimmäistä kertaa vedenkestävän ja kierrätettävän RAMOF-materiaalin.

Tiimi valmisti RAMOF-yhdisteen, UiO-66-(OH)2:n, joka sisälsi p-hydrokinonia.

Sen avulla he osoittivat ensimmäistä kertaa onnistuneesti yhdiste toimi erittäin kestävästi vesipitoisessa RAMOF-pohjaisessa akussa, jossa käytettiin hapanta vesipitoista elektrolyyttiä, varastoimalla elektroneja (protoneja) kaikkialle materiaaliin. Käytettyään sitä elektrodiaktiivisena materiaalina, UiO-66-(OH)2 hajosi miedoissa olosuhteissa ja sitä käytettiin uudelleen (kierrätettiin).

"RAMOF-materiaaleilla on niin monia potentiaalisia käyttötarkoituksia, ja vesipohjaisen ladattavan akun elektrodiaktiivinen materiaali on vain yksi niistä", selittää Kouki Oka, apulaisprofessori Tohokun yliopiston monitieteisen edistyneiden materiaalien tutkimuksen laitoksella.

"Jatkossa pyrimme kehittämään uusia malleja, jotka tekevät RAMOF-materiaaleista entistä kierrätettävämpiä ja sopeutuvat paremmin tosielämän käyttöön", Oka lisäsi.

Ritsumeikanin yliopiston tutkijat visualisoivat puolestaan, kuinka suuret tilavuusmuutoksen kokevat piianodit säilyttävät osittaisen ionikontaktin laajenemisesta ja kutistumisesta huolimatta.

Operandosynkrotroniröntgenmikro- ja nanotietokonetomografian avulla tutkijat visualisoivat suoraan pii-elektrolyytti rajapinnan 3D-evoluutiota lataus- ja purkaussyklien aikana. He havaitsivat, että vaikka pii laajenee ja kutistuu, ohuet kiinteän elektrolyytin kerrokset pysyvät kiinni, säilyttäen osittaiset ionireitit ja mahdollistaen vakaan toiminnan.

Pii-elektrolyytti-rajapinnan yksityiskohtaisen kuvantamisen avulla tutkimusryhmä on osoittanut, että mekaaniset epätäydellisyydet voivat edelleen esiintyä samanaikaisesti sähkökemiallisen vakauden kanssa.

Aiheesta aiemmin:

Uusia MOF-katalyyttejä

Akkutekniikoiden uudet reaktiot

Uusi tutkimus piipohjaisten akkujen elektrodeille