مواد نانویی جدید، کلید نسل آینده باتری‌ها و حسگرها

پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس با انتشار یک مقاله مروری جامع، تازه‌ترین پیشرفت‌ها در زمینه چارچوب‌های آلی فلزی با ظرفیت مختلط (Mixed-Valence MOFs) را بررسی و نقشه راه توسعه این مواد نانومتخلخل را ترسیم کردند؛ موادی که به دلیل رسانایی الکتریکی بالاتر، انتقال بار بهتر و قابلیت تنظیم خواص، گزینه‌ای آینده‌دار برای کاربردهایی مانند ذخیره‌سازی انرژی، حسگرهای پیشرفته، کاتالیز و جداسازی گازها به شمار می‌روند.

به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس با انتشار یک مقاله مروری جامع، تازه‌ترین دستاوردها و چالش‌های مرتبط با «چارچوب‌های آلی فلزی با ظرفیت مختلط» (Mixed-Valence MOFs) را بررسی کرده‌اند؛ موادی که به دلیل ساختار متخلخل در مقیاس نانو و قابلیت تنظیم ویژگی‌های الکترونیکی، از گزینه‌های آینده‌دار برای توسعه فناوری‌های پیشرفته به شمار می‌روند.

این مطالعه نشان می‌دهد که ایجاد هم‌زمان یون‌های فلزی با حالت‌های اکسایش متفاوت در ساختار این مواد می‌تواند رسانایی الکتریکی، انتقال بار، خواص مغناطیسی و عملکرد کاتالیستی آن‌ها را به شکل قابل توجهی بهبود دهد. پژوهشگران همچنین ضمن مرور روش‌های مختلف سنتز و طراحی این مواد، مسیرهای آینده برای توسعه کاربرد آن‌ها در حوزه‌هایی مانند ذخیره‌سازی انرژی، حسگرها، کاتالیز، جذب و جداسازی گازها و سامانه‌های الکتروشیمیایی را ترسیم کرده‌اند؛ موضوعی که می‌تواند زمینه‌ساز طراحی نسل جدیدی از مواد چندمنظوره با عملکرد بالا باشد.

در سال‌های اخیر، نیاز روزافزون صنایع به موادی که بتوانند چندین وظیفه را به طور هم‌زمان انجام دهند، پژوهشگران را به سمت توسعه نسل جدیدی از مواد پیشرفته سوق داده است. موادی که علاوه بر استحکام و پایداری، بتوانند برق را بهتر هدایت کنند، واکنش‌های شیمیایی را سرعت ببخشند، گازها را به طور انتخابی جذب کنند یا در ساخت حسگرهای بسیار دقیق به کار گرفته شوند. دستیابی به چنین ویژگی‌هایی با مواد متداول همواره امکان‌پذیر نیست و به همین دلیل دانشمندان در سراسر جهان به دنبال طراحی ساختارهایی در مقیاس نانو هستند که بتوان ویژگی‌های آن‌ها را به صورت هدفمند تنظیم کرد.

در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس در یک مقاله مروری جامع، تازه‌ترین پیشرفت‌های مربوط به چارچوب‌های آلی فلزی با ظرفیت مختلط (Mixed-Valence Metal-Organic Frameworks یا Mixed-Valence MOFs) را بررسی کرده‌اند؛ خانواده‌ای از مواد نانومتخلخل که با تغییر حالت اکسایش یون‌های فلزی موجود در ساختار خود، قابلیت‌های جدید و چشمگیری پیدا می‌کنند. بخش نانویی این پژوهش به خودِ چارچوب‌های آلی فلزی(MOFs) مربوط می‌شود؛ موادی با ساختار متخلخل در مقیاس نانو که اندازه و معماری منافذ آن‌ها در ابعاد نانومتری قرار دارد و همین ویژگی، سطح ویژه بسیار بالا و قابلیت عملکردهای متنوع را برای آن‌ها فراهم می‌کند.

چارچوب‌های آلی فلزی طی دو دهه گذشته به یکی از پرمطالعه‌ترین مواد پیشرفته تبدیل شده‌اند. این مواد از اتصال یون‌های فلزی و لیگاندهای آلی تشکیل می‌شوند و به دلیل وجود شبکه‌ای از حفره‌های بسیار ریز، سطح تماس بسیار بالایی با محیط دارند. همین ویژگی باعث شده است که در زمینه‌هایی مانند ذخیره گازها، جذب آلاینده‌ها، کاتالیز، ذخیره انرژی و حتی پزشکی مورد توجه قرار گیرند.

با وجود قابلیت‌های فراوان، بسیاری از چارچوب‌های آلی فلزیمتداول هنوز محدودیت‌هایی در رسانایی الکتریکی، انتقال بار یا پایداری عملکرد دارند. پژوهشگران در این مقاله نشان می‌دهند که ایجاد حالت «ظرفیت مختلط» در یون‌های فلزی، یکی از امیدبخش‌ترین راهکارها برای برطرف کردن این محدودیت‌ها است. در این ساختارها، یون‌های فلزی با دو یا چند حالت اکسایش مختلف به طور هم‌زمان در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و همین موضوع امکان انتقال آسان‌تر الکترون‌ها و ایجاد هم‌افزایی میان اجزای مختلف ماده را فراهم می‌کند.

بررسی‌های انجام‌شده نشان می‌دهد که این تغییر ظاهراً ساده می‌تواند خواصی مانند کاهش گاف انرژی، افزایش رسانایی الکتریکی، بهبود خواص مغناطیسی، افزایش سرعت انتقال بار و ارتقای عملکرد نوری را به همراه داشته باشد. به همین دلیل، چارچوب‌های آلی فلزیبا ظرفیت مختلط در بسیاری از کاربردها عملکردی بهتر از نمونه‌های دارای ظرفیت یکنواخت از خود نشان داده‌اند.

در این مقاله، پژوهشگران علاوه بر مرور ویژگی‌های بنیادی این مواد، روش‌های مختلف سنتز آن‌ها را نیز بررسی کرده‌اند. یکی از مهم‌ترین راهکارها، مهندسی گره‌های فلزی در ساختار چارچوب‌های آلی فلزی است؛ روشی که بدون از بین بردن ساختار متخلخل، ویژگی‌های الکترونیکی ماده را تغییر می‌دهد. بر اساس مطالعات موجود، بیشترین نمونه‌های گزارش‌شده مربوط به ترکیب یون‌های مس با حالت‌های اکسایش یک و دو و همچنین آهن با حالت‌های دو و سه ظرفیتی است، زیرا این عناصر هم قابلیت انجام واکنش‌های اکسایش و کاهش مناسبی دارند و هم سنتز آن‌ها نسبتاً ساده‌تر است.

روش‌های سنتز درجا، فرآیندهای پساسنتز، استفاده از مواد قالب و همچنین طراحی از پیش تعیین‌شده واحدهای سازنده فلزی از دیگر راهکارهایی هستند که برای ایجاد ظرفیت مختلط در این مواد توسعه یافته‌اند. با این حال، پژوهشگران تأکید می‌کنند که همچنان شناخت کاملی از سازوکار تشکیل این ساختارها وجود ندارد و توسعه روش‌های تصویربرداری و مشخصه‌یابی درجا می‌تواند به درک بهتر فرآیند سنتز کمک کند.

بخش دیگری از این مطالعه به راهبردهای طراحی اختصاص دارد. نتایج نشان می‌دهد که اگر علاوه بر یون‌های فلزی، لیگاندهای آلی نیز بتوانند در انتقال بار نقش فعالی داشته باشند، عملکرد ماده به طور محسوسی افزایش پیدا می‌کند. استفاده از لیگاندهایی با سامانه‌های الکترونی گسترده، ایجاد برهم‌کنش‌های قوی میان فلز و لیگاند و طراحی مسیرهای مناسب برای حرکت الکترون‌ها، از جمله عواملی هستند که می‌توانند رسانایی و کارایی این مواد را در کاربردهای مختلف افزایش دهند.

یکی از چالش‌های مهم در مسیر تجاری‌سازی این مواد، حفظ پایداری آن‌ها در شرایط عملیاتی سخت است. اگرچه چارچوب‌های آلی فلزی با ظرفیت مختلط معمولاً نسبت به نمونه‌های معمولی مقاومت شیمیایی و حرارتی بیشتری دارند، اما هنوز برای استفاده در محیط‌های بسیار اسیدی یا قلیایی نیاز به بهبود بیشتر دارند. پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند استفاده از لیگاندهای قوی‌تر، اصلاح سطح و ایجاد لایه‌های محافظ می‌تواند دوام این مواد را افزایش دهد.

بررسی کاربردهای این مواد نیز بخش مهم دیگری از مقاله را تشکیل می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که تاکنون بیشترین استفاده از چارچوب‌های آلی فلزی با ظرفیت مختلط در حوزه‌های کاتالیز، فوتوکاتالیز و حسگرها بوده است. با این حال، ظرفیت‌های بسیار بیشتری برای این مواد وجود دارد و انتظار می‌رود در آینده در فناوری‌هایی مانند باتری‌ها، ابرخازن‌ها، الکتروکاتالیز، فوتوالکتروکاتالیز، جداسازی گازها، تصفیه مواد شیمیایی، حسگرهای الکترولومینسانس و حتی کاربردهای زیست‌پزشکی نیز نقش پررنگ‌تری ایفا کنند.

یکی از نکات مهم مطرح‌شده در این مقاله، قابلیت تنظیم نسبت حالت‌های مختلف اکسایش فلزات است؛ قابلیتی که به پژوهشگران اجازه می‌دهد ویژگی‌های ماده را متناسب با نیاز هر کاربرد طراحی کنند. همچنین استفاده از چند فلز مختلف با حالت‌های اکسایش متفاوت در یک چارچوب می‌تواند عملکرد این مواد را بیش از پیش افزایش دهد، هرچند تاکنون مطالعات نسبتاً محدودی در این زمینه انجام شده است.

پژوهشگران در پایان تأکید می‌کنند که این حوزه همچنان در آغاز مسیر توسعه قرار دارد و هنوز فرصت‌های فراوانی برای نوآوری وجود دارد. توسعه روش‌های دقیق‌تر برای اندازه‌گیری انتقال بار، طراحی چارچوب‌هایی با چندین ویژگی عملکردی به صورت هم‌زمان، افزایش پایداری و استفاده از روش‌های پیشرفته مشخصه‌یابی درجا از جمله مسیرهایی است که می‌تواند به توسعه نسل آینده این مواد کمک کند.

به نقل از نانو ایران، چارچوب‌های آلی فلزی با ظرفیت مختلط در سال‌های آینده به یکی از مهم‌ترین خانواده‌های مواد پیشرفته تبدیل خواهند شد؛ موادی که با بهره‌گیری از مهندسی ساختار در مقیاس نانو می‌توانند نقش مهمی در توسعه فناوری‌های ذخیره انرژی، تولید انرژی پاک، حسگرهای هوشمند، سامانه‌های کاتالیستی و بسیاری از کاربردهای صنعتی و زیست‌پزشکی آینده ایفا کنند. این مطالعه همچنین نقشه راهی برای طراحی نسل جدید مواد چندمنظوره ارائه می‌دهد و نشان می‌دهد که کنترل دقیق ساختار و حالت‌های اکسایش در مقیاس نانو، یکی از کلیدهای اصلی دستیابی به مواد با عملکرد برتر خواهد بود.

نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان  Mixed-valence metal–organic frameworks: concepts, opportunities, and prospects به چاپ رسیده است