Επανάσταση στην έρευνα MOF: Η ηλεκτρική αγωγιμότητα έφερε επανάσταση!

Επανάσταση στην έρευνα MOF: Η ηλεκτρική αγωγιμότητα έφερε επανάσταση!

Ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καρλσρούης (KIT), σε συνεργασία με εταίρους από τη Γερμανία και τη Βραζιλία, πέτυχαν μια πρωτοποριακή εξέλιξη στον τομέα των ενώσεων μεταλλο-οργανικού πλαισίου (MOFs). Αυτά τα εξαιρετικά πορώδη υλικά χαρακτηρίζονται από την προσαρμόσιμη δομή τους και μέχρι στιγμής είχαν περιορισμένη χρήση μόνο στα ηλεκτρονικά λόγω της χαμηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητάς τους. Αναφέρει το KIT ότι η πρόσφατα αναπτυγμένη λεπτή μεμβράνη MOF είναι πλέον σε θέση να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα καθώς και ένα μέταλλο.

Τα αποτελέσματα αυτής της πολλά υποσχόμενης έρευνας δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Materials Horizons. Είναι μια νέα διαδικασία κατασκευής για τη μείωση των ελαττωμάτων στα MOF που συχνά επηρεάζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Ενώ προηγούμενες μελέτες κατηγόρησαν τις διεπαφές μεταξύ των κρυσταλλικών περιοχών για τη χαμηλή αγωγιμότητα, η ερευνητική ομάδα κατάφερε τώρα να ελαχιστοποιήσει αυτά τα προβλήματα. Με τη χρήση AI και ρομποτικής σύνθεσης σε ένα αυτοελεγχόμενο εργαστήριο, βελτιστοποιήθηκε το υλικό MOF Cu3(HHTP)2. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυτής της ουσίας υπερβαίνει τα 200 Siemens ανά μέτρο σε θερμοκρασία δωματίου, με ακόμη υψηλότερες τιμές να επιτυγχάνονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες έως -173,15 °C.

Δομή και ιδιότητες του Cu3(HHTP)2

Το C3(HHTP)2 δεν είναι μόνο σημαντικό για τις ηλεκτρικές του ιδιότητες αλλά έχει και εντυπωσιακή δομή. Σύμφωνα με την ανάλυση, οι παράμετροι πλέγματος του υλικού προσδιορίστηκαν ότι είναι a = b = 21,2 Å και c = 6,6 Å. Αυτή η δομή υλικού αποτελείται από 2D εξαγωνικά στρώματα στοιβαγμένα σε μια παράλληλη διαμόρφωση μετατόπισης. Η μορφολογία του Cu3(HHTP)2 μοιάζει με ομοιόμορφες ράβδους, κάτι που επιβεβαιώθηκε με ανάλυση FE-SEM. Αυτή η συγκεκριμένη δομή παρέχει μεγάλη επιφάνεια, η οποία είναι ευεργετική για διάφορες εφαρμογές στην κατάλυση και το διαχωρισμό υλικών.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού σε μορφή σκόνης είναι 0,01 S cm−1 και 0,04 S cm−1 με τη μορφή σύνθετων ηλεκτροδίων. Αυτό το MOF έχει επίσης αποδειχθεί χρήσιμο ως υλικό καθόδου για υδατικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ψευδαργύρου, στις οποίες έχουν παρατηρηθεί αναστρέψιμες αντιδράσεις εισαγωγής και αφαίρεσης Zn2+. Η φύση περιγράφει ενδιαφέρουσες ηλεκτροχημικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης μιας αρχικής αναστρέψιμης χωρητικότητας 228 mAh g−1, η οποία διατηρείται σε 30 κύκλους φόρτισης.

Εφαρμογές και μελλοντικές προοπτικές

Ο συνδυασμός αυτοματοποιημένης σύνθεσης, χαρακτηρισμού υλικού και θεωρητικής μοντελοποίησης ανοίγει νέες προοπτικές για τη χρήση των MOF στα ηλεκτρονικά. Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν όχι μόνο αισθητήρες και κβαντικά υλικά, αλλά και εξατομικευμένα λειτουργικά υλικά που μπορούν να βελτιστοποιηθούν ειδικά για διαφορετικούς τομείς εφαρμογής. Το MOF Cu3(HHTP)2 δείχνει κώνους Dirac, που προσφέρει νέες δυνατότητες για τη μελέτη φαινομένων μεταφοράς σε αυτά τα υλικά.

Η φυσική μονάδα ηλεκτρικής αγωγιμότητας, μετρημένη σε Siemens ανά μέτρο (S/m), επιβεβαιώνει την απόδοση αυτού του υλικού. Για να εμβαθύνουμε την κατανόηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι οι αγωγοί αντιπροσωπεύουν συνήθως τιμές πάνω από 106 S/m. Μια τιμή άνω των 200 S/m καθιστά το Cu3(HHTP)2 έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για μελλοντικές ηλεκτρονικές εφαρμογές. Η Sanier.de εξηγεί, ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό είναι ζωτικής σημασίας για την ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία θα μπορούσε να βελτιστοποιηθεί στα MOF μέσω των νέων διαδικασιών παραγωγής.