Блог

Aug 08, 2023

GTUB3 — первый микропористый металлический

14 декабря 2022 г., Технический университет Берлина. Исследователи из Берлинского технического университета разработали новый материал из класса микропористых соединений металлоорганического каркаса (MOF). С одной стороны, такое

14 декабря 2022 г.

Технический университет Берлина

Исследователи из Берлинского технического университета разработали новый материал из класса микропористых соединений металлорганического каркаса (MOF). С одной стороны, такие соединения могут хранить небольшие молекулы и газы, такие как водород, CO2 или даже токсины. С другой стороны, большая площадь поверхности, обусловленная большим объемом пор, означает, что они также подходят в качестве материала для электродов, например, в суперконденсаторах, которые можно заряжать гораздо быстрее, чем обычные батареи.

Исследование, описывающее эту работу, опубликовано в журнале Advanced Optical Materials.

Проблема на сегодняшний день заключается в том, что большинство МОФ являются очень плохими проводниками электричества. Новый материал, созданный исследователями, под названием GTUB3, является одновременно хорошим проводником, а также химически и термически чрезвычайно стабильным. Уникальность его заключается в том, что он также фотолюминесцентный, то есть светится при облучении светом. В результате его также можно использовать в оптоэлектронных приложениях и солнечных элементах.

Металлоорганические каркасы, или МОК, считаются одним из самых интересных классов материалов в современной химии. Они состоят из атомов металлов, непосредственно связанных с органическими молекулами. «Раньше мы ценили такие кристаллические структуры только за их эстетическую красоту. Некоторые из них действительно напоминают марокканскую плитку», — объясняет доктор Гюндог Ючесан с факультета III — технологических наук Берлинского технического университета. «Что делает их интересными сегодня, так это множество полостей, которые делают микропористые MOF идеальными носителями информации, а также их большие поверхности, которые облегчают реакции».

Прежде всего, новые соединения этого класса веществ могут разрабатываться весьма систематическим образом благодаря модульной структуре их молекул.

Неорганические строительные единицы – или IBU – связаны друг с другом посредством органических стоек с длинной цепью – другими словами, линкеров. Это позволяет формировать крупномасштабные элементарные структуры, которые затем повторяются либо слоями, либо складываются в стопки в качестве строительных блоков для формирования кристаллов.

Несмотря на то, что уже существует более 100 000 МФ, в некоторых областях этой исследовательской области пока еще мало развития. «Особенно в отношении микропористых MOF, содержащих фосфор, которых на данный момент менее 50», — говорит Ючесан.

«Они вызвали наш интерес, потому что первые известные фосфорные MOF оказались термически и химически очень стабильными». Это идеальные свойства для материалов электродов, которые должны выдерживать длительное пребывание в электролитах или даже кислотах, в том числе при нагревании во время реакций.

Основная проблема заключается в том, что MOF обычно являются изоляторами — плохое основное свойство для электродов, через которые должны проходить носители заряда. В ответ в 2020 году Ючесан и его команда разработали два микропористых фосфорных MOF с более высокой проводимостью: «TUB75» и «TUB40» (названные в честь Берлинского технического университета), работая в сотрудничестве с другими университетами и исследовательскими институтами.

Создание GTUB3 предоставило возможность отметить вклад Технического университета Гебзе в Турции. Помимо фосфоновой кислоты, новое соединение содержит металлы медь и цинк, а также порфирин, состоящий из четырех углеродных колец. Все эти исходные материалы дешевы, доступны в больших количествах и нетоксичны для человека и окружающей среды. В отличие от двух своих предшественников, полупроводниковый GTUB3 одинаково проводит ток во всех трех пространственных направлениях и устойчив к температуре до 400 градусов Цельсия.

Ючесан видит большой потенциал GTUB3 в совершенствовании суперконденсаторов, например тех, которые используются для кратковременного хранения электроэнергии при рекуперации энергии торможения в автобусах и поездах, а также в некоторых автомобилях.

Эти суперконденсаторы представляют собой электрохимические накопители энергии с очень высокой плотностью мощности, которые можно заряжать во много раз быстрее, чем обычные батареи. Однако они хранят гораздо меньше энергии, чем батареи той же массы. Новые материалы электродов, такие как GTUB3, призваны сократить этот разрыв. «Новый состав также подходит для тонкопленочных процессов, часто используемых в промышленности для нанесения на подложки», — объясняет Ючесан.