Läpimurto MOF-tutkimuksessa: Sähkönjohtavuus mullisti!

Läpimurto MOF-tutkimuksessa: Sähkönjohtavuus mullisti!

Karlsruhen teknologiainstituutin (KIT) tutkijat ovat yhteistyössä saksalaisten ja brasilialaisten kumppaneiden kanssa saavuttaneet uraauurtavan kehityksen metalli-orgaanisten kehysyhdisteiden (MOF) alalla. Näille erittäin huokoisille materiaaleille on ominaista niiden mukautuva rakenne, ja niitä on toistaiseksi käytetty vain rajoitetusti elektroniikassa niiden alhaisen sähkönjohtavuuden vuoksi. KIT raportoi että uusi MOF-ohutkalvo pystyy nyt johtamaan sähkövirtaa yhtä hyvin kuin metallia.

Tämän lupaavan tutkimuksen tulokset on julkaistu Materials Horizons -lehdessä. Se on uusi valmistusprosessi, jolla vähennetään MOF:ien vikoja, jotka usein vaikuttavat sähköisiin ominaisuuksiin. Vaikka aiemmat tutkimukset syyttivät kidealueiden välisiä rajapintoja alhaisesta johtavuudesta, tutkimusryhmä on nyt pystynyt minimoimaan nämä ongelmat. MOF-materiaali Cu3(HHTP)2 optimoitiin käyttämällä tekoälyä ja robottisynteesiä itseohjatussa laboratoriossa. Tämän aineen sähkönjohtavuus ylittää 200 Siemensiä metriä kohden huoneenlämpötilassa, ja vielä korkeammat arvot saavutetaan alemmissa lämpötiloissa aina -173,15 °C:een asti.

Cu3(HHTP)2:n rakenne ja ominaisuudet

C3(HHTP)2 ei ole tärkeä ainoastaan ​​sähköisten ominaisuuksiensa vuoksi, vaan sillä on myös vaikuttava rakenne. Analyysin mukaan materiaalin hilaparametreiksi määritettiin a = b = 21,2 Å ja c = 6,6 Å. Tämä materiaalirakenne koostuu 2D kuusikulmaisista kerroksista, jotka on pinottu päällekkäin rinnakkain. Cu3(HHTP)2:n morfologia muistuttaa yhtenäisiä sauvoja, mikä vahvistettiin FE-SEM-analyysillä. Tämä erityinen rakenne tarjoaa suuren pinta-alan, joka on hyödyllinen erilaisissa katalyysin ja materiaalien erottamisen sovelluksissa.

Jauhemaisen materiaalin sähkönjohtavuus on 0,01 S cm−1 ja 0,04 S cm−1 elektrodikomposiittien muodossa. Tämä MOF on myös osoittautunut käyttökelpoiseksi katodimateriaalina vesipitoisille ladattaville sinkkiakuille, joissa on havaittu palautuvia Zn2+:n sisään- ja poistumisreaktioita. Luonto kuvailee mielenkiintoisia sähkökemiallisia ominaisuuksia, mukaan lukien alkuperäinen palautuva kapasiteetti 228 mAh g-1, joka säilyy 30 latausjakson ajan.

Hakemukset ja tulevaisuuden näkymät

Automatisoidun synteesin, materiaalin karakterisoinnin ja teoreettisen mallintamisen yhdistelmä avaa uusia näkökulmia MOF:ien käyttöön elektroniikassa. Mahdollisia sovelluksia ovat sensorien ja kvanttimateriaalien lisäksi myös räätälöidyt toiminnalliset materiaalit, jotka voidaan optimoida erityisesti eri käyttöalueille. MOF Cu3(HHTP)2 esittää Dirac-kartioita, mikä tarjoaa uusia mahdollisuuksia näiden materiaalien kuljetusilmiöiden tutkimiseen.

Sähkönjohtavuuden fyysinen yksikkö, mitattuna Siemenseinä metriä kohti (S/m), vahvistaa tämän materiaalin tehokkuuden. Sähkönjohtavuuden ymmärtämisen syventämiseksi on tärkeää tietää, että johtimet edustavat tyypillisesti arvoja yli 10⁶ S/m. Yli 200 S/m arvo tekee Cu3(HHTP)2:sta lupaavan ehdokkaan tuleville sähköisille sovelluksille. Sanier.de selittää, että materiaalissa olevat vapaat elektronit ovat tärkeitä sähkönjohtavuudelle, joka voidaan optimoida MOF:issä uusien valmistusprosessien avulla.