Nuevo material para almacenamiento de energía y aplicaciones optoelectrónicas

"GTUB3" es el primer sólido microporoso metalorgánico conductor y fotoluminiscente.

16.12.2022 - Alemania

Investigadores de la Universidad Técnica de Berlín han desarrollado un nuevo material de la clase de los compuestos microporosos de estructura metálica-orgánica (MOF). Por un lado, estos compuestos pueden almacenar pequeñas moléculas y gases como hidrógeno, CO2 o incluso toxinas. Por otro, la gran superficie resultante del elevado volumen de poros hace que también sean adecuados como material para electrodos, como en los supercondensadores, que pueden cargarse mucho más rápido que las baterías convencionales. El problema hasta la fecha es que la mayoría de los MOF son muy malos conductores de la electricidad. El nuevo material creado por los investigadores, denominado GTUB3, es a la vez un buen conductor y extremadamente estable desde el punto de vista químico y térmico. Lo que lo hace único es que también es fotoluminiscente, lo que significa que brilla cuando se irradia con luz. Por tanto, también podría utilizarse en aplicaciones optoelectrónicas y células solares.

Los marcos orgánicos metálicos, 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, sólo valorábamos estas estructuras cristalinas por su belleza estética. De hecho, algunas de ellas nos recuerdan a los azulejos marroquíes", explica el Dr. Gündoğ Yücesan, de la Facultad III de Ciencias de los Procesos de la Universidad Técnica de Berlín. "Lo que los hace interesantes hoy en día son las numerosas cavidades que convierten a los MOF microporosos en medios de almacenamiento ideales, así como sus grandes superficies, que facilitan las reacciones."

Construcción modular

Sobre todo, los nuevos compuestos de esta clase de sustancias pueden desarrollarse de forma muy sistemática gracias a la estructura modular de sus moléculas. Las unidades de construcción inorgánicas -o IBU- están conectadas entre sí mediante puntales orgánicos de cadena larga, es decir, enlazadores. Esto permite formar estructuras elementales a gran escala, que luego se repiten en capas o se apilan como bloques de construcción para formar cristales.

Resistentes al calor y químicamente estables

Aunque ya existen más de 100.000 MOF, en algunas áreas de este campo de investigación apenas se ha avanzado. "Especialmente en lo que se refiere a los MOF microporosos que contienen fósforo, de los que hay menos de 50 hasta ahora", dice Yücesan. "Despertaron nuestro interés porque los primeros MOF de fósforo conocidos resultaron ser térmica y químicamente muy estables". Propiedades ideales para materiales de electrodos que tienen que soportar largos periodos en electrolitos o incluso ácidos, incluso cuando se calientan durante las reacciones.

Conductividad en las tres direcciones espaciales

El principal problema es que los MOF suelen ser aislantes, una propiedad básica pobre para electrodos por los que se requiere que fluyan portadores de carga. Como respuesta, en 2020 Yücesan y su equipo diseñaron dos MOFs de fósforo microporosos con mayor conductividad, "TUB75" y "TUB40" (que llevan el nombre de TU Berlín), 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 de 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 ni para el ser humano 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.

Uso en supercondensadores para coches, autobuses y trenes

Gündoğ Yücesan ve un gran potencial para GTUB3 en la mejora de los supercondensadores, como los que se utilizan para el almacenamiento de electricidad a corto plazo en la recuperación de la energía de frenado en autobuses y trenes, así como en algunos coches. Estos supercondensadores son dispositivos electroquímicos de almacenamiento de energía 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 de la misma masa. Los nuevos materiales de electrodos -como GTUB3- pretenden reducir esta brecha. "El nuevo compuesto también es apto para los procesos de película fina que suelen utilizarse en la industria para su aplicación sobre sustratos", explica Yücesan.

Propiedades interesantes para LED y células solares

Como una especie de ventaja añadida, 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 el fósforo, se congratula Yücesan. "El ácido fosfónico también tiene un gran número de posibilidades de unión a metales, lo que nos da mucho margen en nuestro trabajo de desarrollo". La TU Berlín ya ha solicitado una patente para GTUB3, el núcleo de esta familia.

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