قام فريق بحث في معهد كيمياء المواد في جامعة TU Wien، بقيادة البروفيسور دومينيك إيدر، بتطوير نهج اصطناعي جديد لإنشاء مواد هيكلية هجينة متينة وموصلة ونشطة تحفيزيًا لتقسيم الماء بالتحفيز الكهربائي.
محفزات الإطار المعدني العضوي المسامي
إن تطوير تقنيات حاملات الطاقة المستدامة، مثل الهيدروجين، أمر ضروري. طريقة واعدة لإنتاج الهيدروجين (H2) هو من تقسيم الماء إلى H2 والأكسجين (O2)، إما كهروكيميائيًا أو باستخدام الضوء، أو كليهما – وهو المسار الذي يتبعه الفريق. ومع ذلك، فإن هذه العملية تتطلب محفزًا يعمل على تسريع التفاعل دون استهلاكه. تشمل المعايير الأساسية للمحفز مساحة سطح كبيرة لامتصاص وتقسيم جزيئات الماء، ومتانة الاستخدام على المدى الطويل.
توفر أطر زيوليت إيميدازوليت (ZIFs)، وهي فئة من المواد العضوية/غير العضوية الهجينة ذات واجهات جزيئية ومسام عديدة، مساحات سطحية قياسية ومواقع امتزاز وافرة للمياه كمحفزات. وهي تتكون من أيونات معدنية مفردة، مثل أيونات الكوبالت، والتي ترتبط بواسطة جزيئات عضوية محددة، تسمى الروابط، من خلال ما يسمى روابط التنسيق. تحتوي ZIFs التقليدية على نوع واحد فقط من الروابط العضوية. يقول دومينيك إيدير: “غالبًا ما تفتقر هذه ZIFs إلى الاستقرار في الماء في ظل ظروف التحفيز الكهربائي لضمان التطبيق على المدى الطويل. علاوة على ذلك، فإن موصليتها الإلكترونية المنخفضة نوعًا ما تحد أيضًا من فعاليتها في تطبيقات التحفيز الكهربائي”.
ولمواجهة هذه التحديات، قام الفريق بتطوير طريقة لتصميم ZIFs باستخدام رباطين عضويين أو أكثر. “كنا بحاجة إلى توخي الحذر لخلط كلا الرابطين بطريقة تخلق توزيعًا موحدًا في جميع أنحاء الإطار، مع الحفاظ على بنية ZIF الأصلية” يوضح Zheao Huang، المؤلف الرئيسي للدراسة. ولذلك، قام الفريق بإجراء تحقيق شامل في سلسلة من مجموعات الروابط ومعلمات العملية، وتمكن أخيرًا من تحديد زوج الروابط الأكثر ملاءمة.
فوائد تآزرية عن طريق خلط اثنين من الروابط العضوية
وجد الباحثون أن هذا التعديل أدى إلى تحسين استقرار ZIF بشكل كبير، مما أدى إلى زيادة متانته أثناء تقسيم الماء بالتحفيز الكهربائي من بضع دقائق إلى يوم واحد على الأقل. من خلال تحقيقات متعمقة باستخدام مجموعة واسعة من التقنيات الطيفية والمجهرية التجريبية، مدعومة بالنظرية الحسابية بالتعاون مع جامعة وسط الصين العادية، لاحظ الفريق أن المزج الدقيق بين الربيطين عزز بشكل تآزري رابطة التنسيق مع معدن الكوبالت. ونتيجة لذلك، لم ينهار الإطار المسامي أثناء اختبارات التحفيز الكهربائي (الصورة). “بدلاً من ذلك، لاحظنا أنه بعد بضع دقائق فقط من التفاعل، تم تشكيل طبقة رقيقة جدًا من بضعة نانومترات فقط، مصنوعة من أوكسي هيدروكسيد الكوبالت، على سطح جسيمات ZIF النانوية، مما منع المزيد من التدهور والانهيار”، كما يقول هوانغ زياو. .
بالإضافة إلى ذلك، أدى الجمع بين ربيطين إلى زيادة موصلية مادة ZIF بمقدار عشرة أضعاف، وبالتالي تعزيز معدل تفاعل تطور الأكسجين (OER) أيضًا بمقدار عشرة أضعاف. يوضح دومينيك إيدير: “كشفت عمليات المحاكاة أن الربيطين يتفاعلان بطريقة تآزرية، مما يخلق كثافة عالية من حاملات الشحن المتنقلة في جميع أنحاء المادة”، ويضيف: “على الرغم من أننا توقعنا بعض التحسينات مع هذه الاستراتيجية الجديدة، فقد فوجئنا بمدى تأثيرها”. عززت (الصورة) أداء التحفيز الكهربائي لـ ZIFs.”
الآفاق المستقبلية والتطبيقات الأوسع
يستكشف الفريق الآن هذا النهج متعدد الاستخدامات لملفات ZIFs الأخرى بالإضافة إلى الأطر المعدنية العضوية (MOFs) التي تفتقر أيضًا إلى الاستقرار والتوصيل في تطبيقات التحفيز الكهربائي والتحفيز الكهربائي (الضوئي). يفتح هذا النهج المبتكر إمكانيات مثيرة لتصميم مواد متقدمة لتقنيات التحفيز والاستشعار وتحويل الطاقة الشمسية، مما يقربنا من تطبيقات العالم الحقيقي.
المنشور الأصلي
تعمل شركة Ligand Engineering على تحسين (صورة) نشاط التحفيز الكهربائي واستقرار إطارات الزيوليت إيميدازوليت من خلال إعادة بناء السطح في الموقع. اتصالات الطبيعة. https://doi.org/10.1038/s41467’024 -53385-0
