Nanofogli con struttura metallica organica utilizzati come trasportatori di ioni per se stessi

31 agosto 2023

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di Li Yuan, Accademia Cinese delle Scienze

Le batterie acquose ricaricabili agli ioni di zinco sono componenti promettenti per lo stoccaggio nella rete elettrica grazie al loro basso costo e alla sicurezza intrinseca. Tuttavia, la loro implementazione pratica è ostacolata dalla scarsa reversibilità dell’anodo di zinco, causata principalmente dalla caotica deposizione di zinco presente come dendrite e reazioni collaterali.

Recentemente, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Yang Weishen e dal Dr. Zhu Kaiyue del Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) ha proposto una strategia che utilizza "portatori di ioni" importando vettori macromolecolari Zn2+ con un ampio rapporto massa-carica per disaccoppiare il flusso ionico dal campo elettrico e dal substrato disomogenei. Questo metodo fornisce un percorso efficiente per superare i problemi dei dendriti e delle reazioni collaterali.

Questo studio è stato pubblicato su Energy & Environmental Science il 18 agosto.

I ricercatori hanno scoperto che i nanofogli con struttura metallica organica (MOF) dotati di capacità di migrazione sotto campo elettrico grazie alla loro struttura di canali unidimensionali e all'adsorbimento preferenziale di Zn2+, nonché alla chimica riduttiva unica dovuta alla debole coordinazione tra ligandi e ioni zinco, consentono loro fungono da trasportatori dinamici di ioni Zn2+.

I nanofogli MOF dinamici potrebbero ottimizzare continuamente l'anodo di zinco durante il ciclismo. Nello specifico, l'elettrodo di zinco è stato gradualmente ricostruito verso una morfologia simile a lamelle allineate orizzontalmente e una texture migliorata (002), mostrando un coefficiente di texture relativo di 96,9 (valore massimo di 100). Questa ottimizzazione sulla morfologia e struttura potrebbe essere attribuita all'allineamento orizzontale degli ioni Zn2+ da parte dei vincoli dei nanofogli MOF.

Inoltre, la presenza di ligandi MOF ha contribuito all'eliminazione dei sottoprodotti indesiderati Zn4SO4(OH)6·4H2O. Questi sottoprodotti sono stati convertiti spontaneamente in utili nanofogli MOF attraverso proprietà uniche dei ligandi. Di conseguenza, le celle simmetriche Zn||Zn e le celle complete Zn||(NH4)2V10O25·8H2O che impiegano nanofogli MOF negli elettroliti hanno mostrato prestazioni ciclistiche eccezionali sia a velocità basse che elevate.

"La versatilità della strategia del 'vettore ionico' è promettente per una potenziale espansione verso il raggiungimento di un ciclo altamente reversibile in altre celle metalliche ricaricabili, grazie alla sua ampia applicabilità a vari ligandi, substrati ed elettroliti", ha affermato il Prof. Yang.

Maggiori informazioni: Hanmiao Yang et al, MOF Nanosheets come trasportatori di ioni per anodo di zinco auto-ottimizzato, Scienze energetiche e ambientali (2023). DOI: 10.1039/D3EE01747H

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