De nouveaux matériaux poreux idéaux pour les batteries métal-air

Les solutions énergétiques durables ne sont pas extensibles à l'infini. Toutefois, selon une équipe de recherche basée en Chine, la combinaison de l'air avec des cadres métalliques et autres pourrait ouvrir la voie à une conversion et à un stockage de l'énergie respectueux de l'environnement.

Ils ont publié leur étude des nouveaux matériaux poreux - appelés cadres métallo-organiques (MOF) et cadres organiques covalents (COF) - et de leur potentiel pour faire progresser les batteries métal-air le 3 mars dans la revue Nano Research Energy.

Les cadres de matériaux cristallins poreux comprennent divers arrangements de matériaux liés qui peuvent induire des propriétés souhaitées, notamment la capacité d'accélérer les réactions entre l'oxygène et les métaux pour la conversion et le stockage de l'énergie. Leurs diverses dispositions facilitent la flexibilité, avec une porosité et une surface élevées, ce qui permet de maximiser les chances des réactions nécessaires. Leurs dérivés, ou les produits dérivés des structures, améliorent également la conductivité électronique, jusqu'alors insuffisante, et la stabilité chimique.

Selon Tao Wang, co-auteur de la correspondance, professeur au Centre for Hydrogenergy, College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, leurs progrès ont toutefois été limités par une conductivité et une stabilité inadéquates.

"Les batteries métal-air, avec leur énergie spécifique élevée, leur prix modéré, leur grande sécurité et leur respect de l'environnement, sont les candidats les plus prometteurs pour le stockage et la conversion de l'énergie", a déclaré M. Wang. "Toutefois, à l'heure actuelle, les batteries métal-air impliquent un processus catalytique complexe de phases gaz-liquide-solide, ce qui rend difficile la compréhension approfondie du mécanisme des processus de décharge et de recharge.

M. Wang a également noté que certains des arrangements MOF et COF ont une cinétique de réaction lente, ce qui signifie qu'un catalyseur efficace est nécessaire à la fois pour réduire les problèmes potentiels de conversion et pour améliorer le cycle de vie de la batterie.

Pour mieux comprendre comment contrôler les avantages - et atténuer les difficultés - des structures et de leurs dérivés, les chercheurs ont passé en revue la littérature scientifique actuellement disponible. Ils ont notamment découvert que les structures présentent une structure moléculaire unique qui permet une porosité élevée avec une distribution uniforme des sites catalytiques, ce qui signifie que leurs réactions peuvent être plus prévisibles qu'avec d'autres matériaux poreux.

"En étudiant systématiquement les effets entre les composants organiques et les centres actifs catalytiques des MOF et COF, nous pouvons obtenir une base théorique qui nous permettra de sélectionner et de synthétiser les catalyseurs à structure souhaités à l'avenir", a déclaré M. Wang. "Nous pouvons également mieux comprendre le microenvironnement local dans les MOF et COF et son impact sur l'effet catalytique global.

Wang et son équipe recommandent de poursuivre les études sur la manière de mieux préparer les MOF et COF fonctionnalisés en fonction de leur mécanisme de réaction, sur les MOF et COF hybrides, ainsi que sur le contrôle de la composition et la morphologie des dérivés de MOF et COF. Ils recommandent également de développer des techniques plus avancées pour détecter les signaux de vibration des molécules à la surface de l'électrode et d'observer le processus de conversion afin d'élucider complètement la relation entre la structure et la performance.

"En examinant de manière exhaustive les avantages, les défis et les perspectives des MOF et des COF, nous espérons que les matériaux à structure organique permettront de mieux comprendre le développement de l'électrocatalyse et du stockage de l'énergie à l'avenir", a déclaré M. Wang.