Une méthode de gravure chimique visant à élargir les pores des structures organométalliques (MOF) pourrait améliorer diverses applications des MOF, notamment dans les piles à combustible et en tant que catalyseurs. Des chercheurs de l'Université de Nagoya au Japon et de l'Université normale de Chine orientale en Chine ont développé la nouvelle méthode avec des collaborateurs ailleurs au Japon, en Australie et en Chine, et leurs travaux ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society.

Les MOF sont des matériaux poreux composés d'amas métalliques ou d'ions interconnectés par des groupes de liaison (organiques) à base de carbone. La variation des composants métalliques et organiques génère une variété de MOF adaptés à un large éventail d'applications, notamment la catalyse, la séparation chimique et le stockage de gaz.

Certains MOF ont un potentiel évident pour catalyser les réactions chimiques à l’intérieur des piles à combustible, qui sont explorées comme base des systèmes d’énergie renouvelable. Parce qu'elles n'utilisent pas de combustibles fossiles, les piles à combustible pourraient jouer un rôle clé dans la transition vers une économie à émissions faibles ou nulles pour lutter contre le changement climatique.

"Cependant, l'utilisation des MOF pose un problème car la couche de catalyseur est trop épaisse et leur structure de pores n'est pas suffisamment ouverte pour permettre le transfert nécessaire de produits chimiques. Cela exacerbe les propriétés lentes de transport de masse de la couche de catalyseur et limite l'application. des MOF dans de nombreux systèmes d'énergie renouvelable, en particulier pour les applications de piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)."

"Ainsi, la construction de MOF creux avec des structures à pores ouverts suscite un intérêt croissant pour stimuler la pénétration des réactifs et raccourcir les trajets de diffusion de masse. Cela nous permet d'élaborer des morphologies et des structures creuses sans précédent avec des structures à pores ouverts dans une seule nanoparticule MOF en tant que précurseur des catalyseurs PEMFC, libérant ainsi le potentiel des matériaux avancés pour les applications PEMFC", explique Yusuke Yamauchi de l'équipe de Nagoya. L'instabilité chimique des MOF existants a également constitué un obstacle à leur utilisation.

Les chercheurs ont utilisé des mélanges chimiques pour graver une structure plus ouverte dans un MOF. Après un premier cycle de gravure, l’intérieur du MOF est devenu plus poreux, ce qui signifie qu’il a pu être chargé d’ions fer essentiels à la catalyse. Ce MOF possède des ions de fer individuels ancrés dans toute sa structure ouverte, permettant à chaque ion d'être individuellement catalytiquement actif. Les catalyseurs finaux, connus sous le nom d'OP-Fe-NC, ont été obtenus en soumettant le MOF final à un traitement de calcination dans une atmosphère inerte.

Les simulations préliminaires suggèrent que cette structure améliorera considérablement le mouvement de l’oxygène à travers le matériau, ce qui devrait améliorer considérablement son activité et sa stabilité. Les résultats prometteurs mettent en évidence le potentiel de l'OP-Fe-NC en tant qu'électrocatalyseur efficace pour divers dispositifs de stockage et de conversion d'énergie.

Pour ce travail, l'utilisation d'OP-Fe-NC comme catalyseur cathodique a fourni une activité extraordinaire de réaction de réduction de l'oxygène (ORR) et une excellente stabilité dans les milieux acides, ce qui est encore meilleur que le catalyseur commercial platine/carbone. Dans la pile à combustible, OP-Fe-NC a montré une densité de courant élevée, proche de l'objectif 2025 du Département américain de l'énergie (DOE).

"Ce travail propose une nouvelle approche pour concevoir et optimiser des catalyseurs à haut rendement pour l'ORR en augmentant simultanément les activités catalytiques intrinsèques des sites actifs et en utilisant efficacement les sites actifs dans la couche de catalyseur", explique Wei Xia de l'Université normale de Chine orientale, Chine. .

Après avoir démontré le potentiel de principe de leur méthode, les chercheurs envisagent désormais d’explorer comment d’autres modifications chimiques pourraient optimiser l’approche pour produire des matériaux adaptés à différentes situations réelles. "Nous avons l'intention de combler le fossé entre les travaux expérimentaux et les applications pratiques, en espérant apporter une réelle contribution à l'évolution vers des solutions énergétiques durables", déclare Yamauchi.

Plus d'informations : Jingjing Li et al, Gravure sélective de structures métallo-organiques pour structures poreuses ouvertes :catalyseurs à efficacité massique avec réaction améliorée de réduction de l'oxygène pour les piles à combustible, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c05544

Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society

Fourni par l'Université de Nagoya