ذخیرهسازی انرژی با نسل جدیدی از نانوکامپوزیتهای هیبریدی
پژوهشگران دانشگاه مراغه در همکاری با چند مرکز علمی بینالمللی، در یک پژوهش مروری گسترده، سازوکار سنتز، ویژگیهای ساختاری، عملکرد الکتروشیمیایی و کاربردهای محیطزیستی نانوکامپوزیتهای هیبریدی MOF/LDH و ساختارهای LDH مشتق از قالبهای MOF را تحلیل کردند و با بیان مزایا و چالشها، نقشهراهی برای توسعه نسل آینده مواد عملکردی ارائه میدهند.
به گزارش خبرگزاری سیناپرس، گروهی از پژوهشگران دانشگاه مراغه بههمراه همکارانی از دانشگاههای مالزی، امارات، لیسبون و ونژو، در یک مرور علمی گسترده، آخرین دستاوردها و چشماندازهای «نانوکامپوزیتهای هیبریدی MOF/LDH و ساختارهای LDH مشتق از قالبهای MOF» را بررسی کردند؛ موادی که میتوانند در آینده نزدیک، نقش مهمی در امنیت انرژی و پاکسازی محیطزیست ایفا کنند.
ضرورت انجام این پروژه از آنجا ناشی میشود که بحران انرژی و آلودگی، ساختارهای مرسوم ذخیرهسازی و تصفیه را از کارآمدی انداخته است. باتریهای پیشرفته، ابرخازنهای پایدار، سامانههای الکتروشیمیایی کم مصرف و بسترهای جذبکننده آلایندهها، همه به مواد فعال جدیدی نیاز دارند که هم پایدار باشند، هم مساحت سطح بالا داشته باشند، هم قابلیت اصلاح ساختاری داشته باشند. اینجا است که نقش MOFها و LDHها پررنگ میشود.
در این مقاله پژوهشگران ابتدا ویژگیهای منحصربهفرد چارچوبهای فلزی-آلی (MOFs) را شرح میدهند؛ ساختارهایی با مساحت سطح بیسابقه، تخلخل قابل تنظیم و چارچوبهای منظم که میتوانند به عنوان قالب برای تولید هیدروکسیدهای دولایهای (LDHs) استفاده شوند. این تبدیل ساختاری منجر به تولید موادی میشود که از نظر هدایت الکتریکی، پایداری و قابلیت تنظیم، عملکرد بهتری نسبت به LDHهای سنتی دارند.
از سوی دیگر، ترکیب مستقیم MOF و LDH و تولید هیبریدهای MOF/LDH به این ساختارها امکان میدهد تا تعداد بیشتری از سایتهای فعال را آشکار کنند؛ موضوعی که در واکنشهای الکتروشیمیایی و فرآیندهای جذب آلایندهها اهمیت حیاتی دارد. پژوهشگران اشاره میکنند که این هیبریدها نهتنها فعالیت الکتروکاتالیستی بیشتری دارند، بلکه در ذخیره انرژی نیز ظرفیت بالاتری نشان دادهاند.
در بخش سازوکار، این مرور علمی با تمرکز بر «رابطه ساختار و عملکرد» توضیح میدهد که چگونه شکلگیری LDH از قالب MOF یا ترکیب این دو ساختار، مسیر انتقال الکترون را سریعتر میکند، پایداری حرارتی را افزایش میدهد و توزیع یکنواخت مراکز فعال را ممکن میسازد. همچنین روشهای مختلف سنتز، از جمله تبدیل قالبی، رشد همزمان و ساخت نانوکامپوزیتهای چندمرحلهای، با جزئیات مورد بررسی قرار گرفتهاند.
این پژوهشگران ذخیرهسازی انرژی در باتریهای لیتیومیون، سدیمیون، روی و سامانههای نوظهور، ابرخازنها برای افزایش ظرفیت، بهبود پایداری چرخه، ارتقای رسانایی، الکتروکاتالیستها برای واکنشهای HER، OER و ORR برای تولید انرژی پاک، جذب فلزات سنگین، حذف آلایندههای آلی و تجزیه ترکیبات سمی را از مهمترین کاربردهای این گروه از مواد ذکر کردند.
نتایج گزارش این پژوهش نشان میدهد که MOF/LDHها و LDHهای مشتق از MOF در مقایسه با نمونههای مرسوم، عملکرد چندین برابر بهتر در جذب و الکتروشیمی ارائه دادهاند. دلیل اصلی این بهبود، افزایش فوقالعاده تعداد سایتهای فعال، افزایش مساحت سطح مؤثر و بهبود در رسانایی است.
مساحت سطح بسیار بزرگ، ساختار قابل تنظیم، قابلیت اصلاح شیمیایی در چند مرحله، رسانایی مناسب برای واکنشهای الکتروشیمیایی، پایداری مناسب در محیطهای عملیاتی و قابلیت استفاده در مقیاس صنعتی از مزایا و اهمیت این گروه از مواد به شمار میرود، اما در کنار تمام این موفقیتها، پژوهشگران به چالشهای موجود نیز اشاره دارند. هنوز کنترل دقیق مورفولوژی LDHهای مشتق از MOF دشوار است، برخی روشهای سنتزی هزینهبر هستند و پایداری درازمدت در شرایط عملیاتی صنعتی هنوز نیازمند مطالعه بیشتر است. با این حال، انگیزه و پتانسیل بالایی برای توسعه صنعتی این مواد وجود دارد و تیم پژوهشی پیشبینی میکند که طی سالهای آینده، مسیر تجاریسازی این ساختارها هموارتر خواهد شد.
به نقل از ایسنا، در جمعبندی، این مرور علمی تاکید میکند که LDHهای مشتق از MOF و هیبریدهای MOF/LDH، گزینههایی بسیار امیدوارکننده برای کاربردهای انرژی و محیطزیست به شمار میروند. پژوهشگران اعتقاد دارند که با ادامه تلاشهای بینالمللی میتوان انتظار داشت که بهزودی الکترودها، جاذبها و کاتالیستهای مبتنی بر این مواد وارد بازار شوند و نقش مهمی در امنیت انرژی و پاکسازی محیطزیست ایفا کنند.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای در نشریه Coordination Chemistry Reviews به چاپ رسیده است.
