Neuartige poröse Materialien sind ideal für Metall-Luft-Batterien

13.03.2023 - China

Nachhaltige Energielösungen können nicht aus der Luft gegriffen werden. Die Kombination von Luft mit Metall- und anderen Gerüsten könnte jedoch den Weg für eine umweltfreundliche Energieumwandlung und -speicherung ebnen, so ein Forscherteam aus China.

Sie veröffentlichten ihre Übersicht über neuartige poröse Materialien - so genannte metallorganische Gerüste (MOFs) und kovalente organische Gerüste (COFs) - und ihr Potenzial, Metall-Luft-Batterien voranzubringen, in Nano Research Energy.

Die porösen kristallinen Materialgerüste bestehen aus verschiedenen Anordnungen gebundener Materialien, die gewünschte Eigenschaften hervorrufen können, darunter die Fähigkeit, Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen zur Energieumwandlung und -speicherung zu beschleunigen. Ihre vielfältigen Anordnungen ermöglichen eine hohe Flexibilität, eine große Porosität und eine große Oberfläche, so dass die besten Voraussetzungen für die erforderlichen Reaktionen gegeben sind. Ihre Derivate oder von den Gerüsten abgeleiteten Produkte erhöhen auch die bisher unzureichende elektronische Leitfähigkeit und verbessern die chemische Stabilität.

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Ihre Weiterentwicklung wurde jedoch durch unzureichende Leitfähigkeit und Stabilität behindert, so Tao Wang, Professor am Centre for Hydrogenergy, College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, und Mitautor der Studie.

"Metall-Luft-Batterien sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie, ihres moderaten Preises, ihrer hohen Sicherheit und ihrer Umweltfreundlichkeit die vielversprechendsten Kandidaten für die Energiespeicherung und -umwandlung", so Wang. "Gegenwärtig sind Metall-Luft-Batterien jedoch mit einem komplexen katalytischen Prozess von Gas-Flüssig-Fest-Phasen verbunden, was es schwierig macht, den Mechanismus der Entlade- und Aufladeprozesse zu verstehen.

Wang merkte auch an, dass einige der MOF- und COF-Anordnungen eine langsame Reaktionskinetik aufweisen, was bedeutet, dass ein effizienter Katalysator erforderlich ist, um sowohl potenzielle Umwandlungsprobleme zu verringern als auch die Lebensdauer der Batterie zu verbessern.

Um besser zu verstehen, wie die Vorteile der Gerüste und ihrer Derivate kontrolliert - und die Probleme gemildert - werden können, haben die Forscher die aktuell verfügbare wissenschaftliche Literatur ausgewertet. Sie fanden unter anderem heraus, dass die Gerüste eine einzigartige molekulare Struktur aufweisen, die eine hohe Porosität mit gleichmäßiger Verteilung der katalytischen Stellen ermöglicht, was bedeutet, dass ihre Reaktionen besser vorhersehbar sind als bei anderen porösen Materialien.

"Indem wir die Auswirkungen zwischen organischen Komponenten und katalytisch aktiven Zentren von MOFs und COFs systematisch untersuchen, können wir eine theoretische Grundlage für die Auswahl und Synthese der gewünschten Gerüstkatalysatoren in der Zukunft schaffen", so Wang. "Wir können auch die lokale Mikroumgebung in MOFs und COFs besser verstehen und wie sie sich auf die gesamte katalytische Wirkung auswirkt."

Wang und sein Team empfehlen weitere Studien zur besseren Herstellung funktionalisierter MOFs und COFs auf der Grundlage ihres Reaktionsmechanismus, von hybriden MOFs und COFs sowie zur Kontrolle der Zusammensetzung und Morphologie von MOF- und COF-Derivaten. Sie empfehlen auch die Entwicklung fortschrittlicherer Techniken zur Erkennung der Schwingungssignale von Molekülen auf der Elektrodenoberfläche und zur Beobachtung des Umwandlungsprozesses, um die Beziehung zwischen Struktur und Leistung vollständig zu klären.

"Indem wir die Vorteile, Herausforderungen und Aussichten von MOFs und COFs umfassend untersuchen, hoffen wir, dass die organischen Gerüstmaterialien in Zukunft tiefere Einblicke in die Entwicklung von Elektrokatalyse und Energiespeicherung geben werden", so Wang.

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