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Aug 08, 2023

GTUB3 es el primer metal microporoso.

14 de diciembre de 2022 por Universidad Técnica de Berlín Investigadores de TU Berlin han desarrollado un nuevo material de la clase de compuestos microporosos de estructura organometálica (MOF). Por un lado, tal

14 de diciembre de 2022

por la Universidad Técnica de Berlín

Investigadores de TU Berlin han desarrollado un nuevo material de la clase de compuestos microporosos de estructura organometálica (MOF). Por un lado, estos compuestos pueden almacenar pequeñas moléculas y gases como hidrógeno, CO2 o incluso toxinas. Por otro lado, la gran superficie resultante del gran volumen de poros significa que también son adecuados como material para electrodos como, por ejemplo, en supercondensadores, que pueden cargarse mucho más rápido que las baterías convencionales.

Un estudio que describe este trabajo se publica en la revista Advanced Optical Materials.

El problema hasta la fecha es que la mayoría de los MOF son muy malos conductores de electricidad. El nuevo material creado por los investigadores, llamado GTUB3, es a la vez un buen conductor y extremadamente estable química y térmicamente. Lo que lo hace único es que también es fotoluminiscente, lo que significa que brilla cuando se irradia con luz. Como resultado, también podría utilizarse en aplicaciones optoelectrónicas y células solares.

Las estructuras organometálicas, o MOF, se consideran una de las clases de materiales más interesantes de la química moderna. Están formados por átomos metálicos unidos directamente a moléculas orgánicas. "En el pasado, estas estructuras de cristal sólo valorábamos por su belleza estética. Algunas de ellas incluso recuerdan a los azulejos marroquíes", explica el Dr. Gündoğ Yücesan de la Facultad III de Ciencias de Procesos de la Universidad Técnica de Berlín. "Lo que los hace interesantes hoy en día son las numerosas cavidades que hacen de los MOF microporosos medios de almacenamiento ideales, así como sus grandes superficies, que facilitan las reacciones".

Sobre todo, gracias a la estructura modular de sus moléculas, se pueden desarrollar nuevos compuestos de esta clase de sustancias de forma muy sistemática.

Las unidades de construcción inorgánicas (o IBU) están conectadas entre sí mediante puntales orgánicos de cadena larga; en otras palabras, conectores. Esto permite formar estructuras elementales a gran escala, que luego se repiten en capas o se apilan como bloques de construcción para formar cristales.

Si bien ya existen más de 100.000 MOF, todavía ha habido poco desarrollo en algunas áreas de este campo de investigación. "Especialmente en el caso de los MOF microporosos que contienen fósforo, de los que hasta el momento quedan menos de 50", afirma Yücesan.

"Despertaron nuestro interés porque los primeros MOF de fósforo conocidos resultaron ser térmica y químicamente muy estables". Estas son propiedades ideales para materiales de electrodos que deben poder resistir largos períodos en electrolitos o incluso ácidos, incluso cuando se calienta durante las reacciones.

El principal problema es que los MOF son generalmente aislantes, una propiedad básica deficiente para los electrodos a través de los cuales deben fluir los portadores de carga. En respuesta, en 2020, Yücesan y su equipo diseñaron dos MOF de fósforo microporosos con mayor conductividad, "TUB75" y "TUB40" (que llevan el nombre de TU Berlin), trabajando en colaboración con otras universidades e institutos de investigación.

La creación de GTUB3 brindó la oportunidad de honrar la contribución de la Universidad Técnica de Gebze en Turquía. Además del ácido fosfónico, el nuevo compuesto contiene los metales cobre y zinc, así como porfirina, que consta de cuatro anillos de carbono. Todos estos materiales de partida son baratos, están disponibles en grandes cantidades y no son tóxicos para los seres humanos ni para el medio ambiente. A diferencia de sus dos predecesores, el semiconductor GTUB3 es igualmente conductor en las tres direcciones espaciales y resistente a temperaturas de hasta 400 grados Celsius.

Yücesan ve un gran potencial para GTUB3 en la mejora de supercondensadores, como los que se utilizan para el almacenamiento de electricidad a corto plazo en la recuperación de energía de frenado en autobuses y trenes, así como en algunos automóviles.

Estos supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía electroquímicos con una densidad de potencia muy alta que pueden cargarse muchas veces más rápido que las baterías convencionales. Sin embargo, almacenan mucha menos energía que las baterías del mismo peso. Los nuevos materiales de electrodos, como GTUB3, están destinados a reducir esta brecha. "El nuevo compuesto también es adecuado para los procesos de película fina que se utilizan a menudo en la industria para su aplicación sobre sustratos", explica Yücesan.

Como ventaja adicional, GTUB3 también es fotoluminiscente, lo que significa que emite luz cuando se irradia. Esto es esencial para el funcionamiento tanto de los diodos emisores de luz (LED) como de las células solares.

Esta gama de propiedades convierte al nuevo material en un punto de partida ideal para el desarrollo de toda una familia de MOF basados ​​en fósforo, afirma Yücesan. "El ácido fosfónico también tiene muchas posibilidades de unión a metales, lo que nos da mucho margen en nuestro trabajo de desarrollo". TU Berlin ya ha solicitado una patente para GTUB3, el núcleo de esta familia.

Más información: Yunus Zorlu et al, Estructuras metálicas orgánicas de fosfonato de porfirina fotoluminiscente conductoras de electricidad, materiales ópticos avanzados (2022). DOI: 10.1002/adom.202200213

Información de la revista:Materiales ópticos avanzados

Proporcionado por la Universidad Técnica de Berlín.