Los investigadores de KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) han presentado un novedoso material de electrodos para un avanzado dispositivo de almacenamiento de energía que se carga directamente con el oxígeno del aire.
El equipo de KAIST liderado por el profesor Jeung Ku Kang sintetizó y preservó las partículas sub-nanométricas de los tamaños de los cúmulos atómicos con altas cargas de masa dentro de marcos metal-orgánicos (metal-organic frameworks, MOF, por sus siglas en inglés) controlando el comportamiento de los reactivos a nivel molecular. Esta nueva estrategia garantiza un alto rendimiento para las baterías de litio-oxígeno, aclamada como una tecnología de almacenamiento de energía de última generación y ampliamente utilizada en los vehículos eléctricos.
Las baterías de litio-oxígeno en principio pueden generar densidades de energía diez veces mayores que las baterías de iones de litio convencionales, pero sufren de una ciclicidad muy pobre.
Uno de los métodos para mejorar la estabilidad del ciclo es reducir el sobrepotencial de los electrocatalizadores en los electrodos catódicos. Cuando el tamaño de un material electrocatalizador se reduce al nivel atómico, el aumento de la energía de la superficie conduce a un aumento de la actividad mientras se acelera significativamente la aglomeración del material.
Como solución a este desafío, el Profesor Kang del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la universidad se propuso mantener la actividad mejorada estabilizando los electrocatalizadores de tamaño atómico en los espacios sub-nanométricos. Se trata de una estrategia novedosa para producir y estabilizar simultáneamente electrocatalizadores de nivel atómico dentro de estructuras metalorgánicos (MOF).
Las estructuras orgánico-metálicas ensamblan continuamente iones metálicos y enlazadores orgánicos.
El equipo controló las afinidades del hidrógeno entre las moléculas de agua para separarlas y transferir las moléculas de agua aisladas una por una a través de los poros sub-nanométricos de los MOF. Las moléculas de agua transferidas reaccionaron con los iones de cobalto para formar hidróxido de cobalto di-nuclear en condiciones sintéticas precisamente controladas, luego el hidróxido de cobalto a nivel atómico se estabiliza dentro de los poros sub-nanométricos.
Figura 1. Esquema del proceso de formación de los complejos de agua EG e ilustración del proceso de penetración de una molécula de agua aislada
El hidróxido de cobalto di-nuclear que se estabiliza en los poros sub-nanométricos de las estructuras orgánicas metálicas (MOF) redujo el sobrepotencial en un 63,9% y mostró mejoras diez veces mayores en el ciclo de vida.
El profesor Kang dijo: “La generación y estabilización simultánea de electrocatalizadores de nivel atómico dentro de los MOF puede diversificar los materiales según numerosas combinaciones de enlazadores metálicos y orgánicos. Puede ampliar no sólo el desarrollo de electrocatalizadores, sino también varios campos de investigación como los fotocatalizadores, la medicina, el medio ambiente y la petroquímica”.
De acuerdo al comunicado, el estudio fue reportado en la revista científica ‘Advanced Science’ y se titulo como: “Autogenous Production and Stabilization of Highly Loaded Sub-Nanometric Particles within Multishell Hollow Metal-Organic Frameworks and Their Utilization for High Performance in Li-O2 Batteries”.
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