Bron: Phys.org | Methode: Herschreven
Origineel: “Water-resistant and recyclable redox-active MOFs enable stable energy storage in acidic solutions”
Redox-active metal-organic frameworks (RAMOFs) are highly porous materials made of metals and organic molecules linked together by coordination bonds, and they contain redox-active sites that can store electrons (protons). RAMOFs are promising candidates as electrode-active materials for rechargeable batteries.
Onderzoekers hebben een belangrijke stap vooruit gezet in de ontwikkeling van geavanceerde batterijmaterialen. Het gaat om zogenaamde redox-actieve metaal-organische raamwerken, beter bekend onder de afkorting RAMOFs, die veelbelovende eigenschappen vertonen voor de toekomst van energieopslag.
**Wat zijn RAMOFs?**
RAMOFs zijn bijzondere materialen die bestaan uit een combinatie van metalen en organische moleculen. Deze componenten zijn met elkaar verbonden door wat wetenschappers coördinatiebindingen noemen – een specifiek type chemische binding dat zorgt voor een stabiele structuur.
Het meest opvallende kenmerk van deze materialen is hun zeer poreuze karakter. Dit betekent dat ze vol zitten met kleine gaatjes en holtes, waardoor ze een enorm oppervlak hebben ten opzichte van hun volume. Deze eigenschap maakt ze bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij veel contact met andere stoffen nodig is.
**Energieopslag op moleculair niveau**
Wat RAMOFs onderscheidt van gewone metaal-organische raamwerken, is de aanwezigheid van redox-actieve sites. Deze specifieke plaatsen in de materiaalstructuur hebben het vermogen om elektronen en protonen op te slaan. Dit proces, bekend als redox-activiteit, ligt aan de basis van hoe batterijen werken – het opslaan en weer afgeven van elektrische energie.
De redox-actieve sites functioneren als kleine energieopslagpunten verspreid door het hele materiaal. Wanneer een batterij wordt opgeladen, worden elektronen en protonen opgeslagen op deze sites. Bij het ontladen wordt deze opgeslagen energie weer vrijgegeven om apparaten van stroom te voorzien.
**Toepassing in oplaadbare batterijen**
Vanwege hun unieke eigenschappen worden RAMOFs beschouwd als veelbelovende kandidaten voor gebruik als elektrodemateriaal in oplaadbare batterijen. Elektroden vormen het hart van elke batterij – het zijn de componenten waar de chemische reacties plaatsvinden die elektrische energie opslaan en afgeven.
Het gebruik van RAMOFs als elektrodemateriaal zou verschillende voordelen kunnen bieden ten opzichte van conventionele batterijmaterialen. Hun poreuze structuur zorgt voor een groot contactoppervlak, wat kan leiden tot snellere laad- en ontlaadprocessen. Bovendien kunnen de eigenschappen van RAMOFs worden aangepast door verschillende metalen en organische moleculen te kiezen, wat maatwerk mogelijk maakt voor specifieke toepassingen.
**Waterbestendigheid en recycleerbaarheid**
Een belangrijke doorbraak in dit onderzoek is de ontwikkeling van RAMOFs die zowel waterbestendig als recycleerbaar zijn. Waterbestendigheid is cruciaal voor praktische toepassingen, omdat veel batterijsystemen werken met waterige oplossingen of blootgesteld kunnen worden aan vocht.
De recycleerbaarheid van deze materialen is een groot voordeel vanuit milieuoogpunt. Traditionele batterijmaterialen zijn vaak moeilijk te recyclen en kunnen schadelijke stoffen bevatten. RAMOFs die wel recycleerbaar zijn, zouden kunnen bijdragen aan een duurzamere batterij-industrie.
**Stabiliteit in zure omgevingen**
Bijzonder interessant is dat deze nieuwe RAMOFs stabiele energieopslag mogelijk maken in zure oplossingen. Veel batterijsystemen werken in zure omgevingen, maar traditionele materialen kunnen in dergelijke condities snel degraderen. De ontwikkeling van materialen die wel stabiel blijven in zure oplossingen opent nieuwe mogelijkheden voor batterijontwerp en -prestaties.
Deze eigenschap is vooral belangrijk voor industriële toepassingen waar batterijen onder zware omstandigheden moeten functioneren, of voor nieuwe types batterijen die specifiek gebruik maken van zure elektrolyten.
**Vooruitblik**
De ontwikkeling van waterbestendige en recycleerbare RAMOFs markeert een belangrijke mijlpaal in het batterijonderzoek. Deze materialen combineren verschillende gewenste eigenschappen: hoge porositeit voor efficiënte energieopslag, stabiliteit in uitdagende omgevingen, en recycleerbaarheid voor duurzaamheid.
Hoewel dit onderzoek veelbelovend is, zal verdere ontwikkeling nodig zijn voordat deze materialen commercieel beschikbaar komen. De wetenschappelijke gemeenschap zal nu waarschijnlijk focussen op het optimaliseren van de prestaties en het opschalen van de productie van deze innovatieve batterijmaterialen.