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2020-11-24Los investigadores descifran la estructura de los prometedores materiales de las baterías

MIT |La familia de compuestos podría algún día ser útil para las células de combustible, supercapacitores, catalizadores y sensores.

Una clase de materiales llamados estructuras orgánicas metálicas, o MOF, ha atraído un considerable interés en los últimos años por una variedad de aplicaciones potenciales relacionadas con la energía - especialmente desde que los investigadores descubrieron que estos materiales típicamente aislantes también podían hacerse eléctricamente conductores.

Gracias a la extraordinaria combinación de porosidad y conductividad de los MOF, este hallazgo abrió la posibilidad de nuevas aplicaciones en baterías, pilas de combustible, supercapacitores, electrocatalizadores y sensores químicos especializados. Pero el proceso de desarrollo de materiales específicos de MOF que poseen las características deseadas ha sido lento. Esto se debe en gran medida a que ha sido difícil averiguar su estructura molecular exacta y cómo influye en las propiedades del material.

Ahora, los investigadores del MIT y otras instituciones han encontrado una manera de controlar el crecimiento de los cristales de varios tipos de MOF. Esto hizo posible producir cristales lo suficientemente grandes como para ser probados por una batería de pruebas, permitiendo al equipo decodificar finalmente la estructura de estos materiales, que se asemejan a los entramados hexagonales bidimensionales de materiales como el grafeno.

Los hallazgos se describen hoy en la revista Nature Materials, en un artículo de un equipo de 20 personas del MIT y de otras universidades de los Estados Unidos, China y Suecia, dirigido por el Profesor de Energía Mircea W. M. Keck Dincă del Departamento de Química del MIT.

Desde que se descubrieron por primera vez los MOF conductores hace unos años, dice Dincă, muchos equipos han estado trabajando para desarrollar versiones para muchas aplicaciones diferentes, "pero nadie había sido capaz de obtener una estructura del material con tanto detalle". Cuanto mejor se entienden los detalles de esas estructuras, dice, "te ayuda a diseñar mejores materiales, y mucho más rápido. Y eso es lo que hemos hecho aquí: Proporcionamos la primera estructura cristalina detallada a resolución atómica."

La dificultad de hacer crecer cristales que fueran lo suficientemente grandes para tales estudios, dice, radica en los enlaces químicos dentro de los MOF. Estos materiales consisten en un entramado de átomos metálicos y moléculas orgánicas que tienden a formarse en cristales torcidos en forma de aguja o hilo, porque los enlaces químicos que conectan los átomos en el plano de su entramado hexagonal son más difíciles de formar y más difíciles de romper. Por el contrario, los enlaces en la dirección vertical son mucho más débiles y por lo tanto siguen rompiéndose y reformándose a un ritmo más rápido, causando que las estructuras se eleven más rápido de lo que pueden extenderse. Los cristales espinosos resultantes eran demasiado pequeños para ser caracterizados por la mayoría de las herramientas disponibles.

El equipo resolvió ese problema cambiando la estructura molecular de uno de los compuestos orgánicos del MOF de manera que cambió el equilibrio de la densidad electrónica y la forma en que interactúa con el metal. Esto invirtió el desequilibrio en las fuerzas de unión y las tasas de crecimiento, permitiendo así la formación de láminas de cristal mucho más grandes. Estos cristales más grandes fueron analizados usando una batería de técnicas de imágenes de alta resolución basadas en la difracción.

Al igual que en el caso del grafeno, encontrar formas de producir láminas más grandes del material podría ser la clave para desbloquear el potencial de este tipo de MOF, dice Dincă. Inicialmente el grafeno sólo podía producirse utilizando cinta adhesiva para despegar capas de un solo átomo de espesor de un bloque de grafito, pero con el tiempo se han desarrollado métodos para producir directamente hojas lo suficientemente grandes como para ser útiles. La esperanza es que las técnicas desarrolladas en este estudio podrían ayudar a allanar el camino a avances similares para los MOF, dice Dincă.

"Esto es básicamente proporcionar una base y un plano para hacer grandes cristales de MOF bidimensionales", dice.

Como con el grafeno, pero a diferencia de la mayoría de los otros materiales conductores, los MOF conductores tienen una fuerte direccionalidad a su conductividad eléctrica: Se conducen mucho más libremente a lo largo del plano de la lámina de material que en la dirección perpendicular.

Esta propiedad, combinada con la muy alta porosidad del material, podría convertirlo en un fuerte candidato a ser utilizado como material de electrodos para baterías, pilas de combustible o supercapacitores. Y cuando sus componentes orgánicos tienen ciertos grupos de átomos adheridos a ellos que se unen a otros compuestos particulares, podrían utilizarse como detectores químicos muy sensibles.

El grafeno y el puñado de otros materiales 2D conocidos han abierto una amplia franja de investigación en aplicaciones potenciales en la electrónica y otros campos, pero esos materiales tienen propiedades esencialmente fijas. Debido a que los MOF comparten muchas de las características de esos materiales, pero forman una amplia familia de posibles variaciones con propiedades variables, deberían permitir a los investigadores diseñar los tipos específicos de materiales necesarios para un uso particular, dice Dincă.

Para las células de combustible, por ejemplo, "quieres algo que tenga muchos sitios activos" para la reactividad en la gran superficie proporcionada por la estructura con su celosía abierta, dice. O para un sensor que monitorice los niveles de un gas en particular como el dióxido de carbono, "quieres algo que sea específico y que no dé falsos positivos". Este tipo de propiedades pueden ser introducidas por ingeniería a través de la selección de los compuestos orgánicos usados para hacer los MOFs, dice.

El equipo incluía investigadores de los departamentos de Química, Biología e Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT; la Universidad de Pekín y la Universidad de Investigación Avanzada de Shanghai en China; la Universidad de Estocolmo en Suecia; la Universidad de Oregón; y la Universidad de Purdue. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos.



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