پژوهشگران دانشگاه مراغه در همکاری با چند مرکز علمی بینالمللی، در یک پژوهش مروری گسترده به بررسی نسل تازهای از مواد نانوساختار پرداختند که میتوانند آینده ذخیرهسازی انرژی و پاکسازی محیطزیست را متحول کنند. این مطالعه روی نانوکامپوزیتهای هیبریدی MOF/LDH و ساختارهای LDH مشتق از قالبهای MOF متمرکز است؛ موادی که با مساحت سطح بالا، ساختار قابل تنظیم و فعالیت الکتروشیمیایی چشمگیر، گزینههای کلیدی برای توسعه باتریهای پیشرفته، ابرخازنهای کارآمد و سامانههای حذف آلایندهها محسوب میشوند. پژوهشگران در این گزارش، سازوکار سنتز، ویژگیهای ساختاری، عملکرد الکتروشیمیایی و کاربردهای محیطزیستی این مواد را مرور و تحلیل کردهاند و با بیان مزایا و چالشها، نقشهراهی برای توسعه نسل آینده مواد عملکردی ارائه میدهند.
دانشگاه مراغه: چشمانداز تازه در ذخیرهسازی انرژی با نانومواد هیبریدی MOF/LDH
پیشرفت فناوریهای پاک و کارآمد در حوزه انرژی و محیطزیست دیگر یک انتخاب آیندهنگرانه نیست، بلکه تبدیل به ضرورت روزمره کشورها شده است؛ هرچه سطح مصرف انرژی و تولید آلایندهها بیشتر میشود، فشار برای یافتن مواد پیشرفته جهت ذخیرهسازی، تبدیل انرژی و حذف آلودگیها نیز افزایش مییابد. بر همین اساس، گروهی از پژوهشگران از دانشگاه مراغه بههمراه همکارانی از دانشگاههای مالزی، امارات، لیسبون و ونژو، در یک مرور علمی گسترده، آخرین دستاوردها و چشماندازهای «نانوکامپوزیتهای هیبریدی MOF/LDH و ساختارهای LDH مشتق از قالبهای MOF» را بررسی کردند؛ موادی که میتوانند در آینده نزدیک، نقش مهمی در امنیت انرژی و پاکسازی محیطزیست ایفا کنند.
ضرورت انجام این پروژه از آنجا ناشی میشود که بحران انرژی و آلودگی، ساختارهای مرسوم ذخیرهسازی و تصفیه را از کارآمدی انداخته است. باتریهای پیشرفته، ابرخازنهای پایدار، سامانههای الکتروشیمیایی کممصرف و بسترهای جذبکننده آلایندهها، همه به مواد فعال جدیدی نیاز دارند که هم پایدار باشند، هم مساحت سطح بالا داشته باشند، هم قابلیت اصلاح ساختاری داشته باشند. اینجا است که نقش MOFها و LDHها پررنگ میشود.
در این مقاله پژوهشگران ابتدا ویژگیهای منحصربهفرد چارچوبهای فلزی-آلی (MOFs) را شرح میدهند؛ ساختارهایی با مساحت سطح بیسابقه، تخلخل قابل تنظیم و چارچوبهای منظم که میتوانند به عنوان قالب برای تولید هیدروکسیدهای دولایهای (LDHs) استفاده شوند. این تبدیل ساختاری منجر به تولید موادی میشود که از نظر هدایت الکتریکی، پایداری و قابلیت تنظیم، عملکرد بهتری نسبت به LDHهای سنتی دارند.
از سوی دیگر، ترکیب مستقیم MOF و LDH و تولید هیبریدهای MOF/LDH به این ساختارها امکان میدهد تا تعداد بیشتری از سایتهای فعال را آشکار کنند؛ موضوعی که در واکنشهای الکتروشیمیایی و فرآیندهای جذب آلایندهها اهمیت حیاتی دارد. پژوهشگران اشاره میکنند که این هیبریدها نهتنها فعالیت الکتروکاتالیستی بیشتری دارند، بلکه در ذخیره انرژی نیز ظرفیت بالاتری نشان دادهاند.
در بخش سازوکار، این مرور علمی با تمرکز بر «رابطه ساختار و عملکرد» توضیح میدهد که چگونه شکلگیری LDH از قالب MOF یا ترکیب این دو ساختار، مسیر انتقال الکترون را سریعتر میکند، پایداری حرارتی را افزایش میدهد و توزیع یکنواخت مراکز فعال را ممکن میسازد. همچنین روشهای مختلف سنتز، از جمله تبدیل قالبی، رشد همزمان و ساخت نانوکامپوزیتهای چندمرحلهای، با جزئیات مورد بررسی قرار گرفتهاند.
پژوهشگران سپس به مهمترین کاربردهای این گروه از مواد میپردازند؛ حوزههایی مثل:
- ذخیرهسازی انرژی: باتریهای لیتیومیون، سدیمیون، روی و سامانههای نوظهور
- ابرخازنها: افزایش ظرفیت، بهبود پایداری چرخه، ارتقای رسانایی
- الکتروکاتالیستها: واکنشهای HER، OER و ORR برای تولید انرژی پاک
- کاربردهای محیطزیستی: جذب فلزات سنگین، حذف آلایندههای آلی، تجزیه ترکیبات سمی
نتایج گزارش نشان میدهد که MOF/LDHها و LDHهای مشتق از MOF در مقایسه با نمونههای مرسوم، عملکرد چندین برابر بهتر در جذب و الکتروشیمی ارائه دادهاند. دلیل اصلی این بهبود، افزایش فوقالعاده تعداد سایتهای فعال، افزایش مساحت سطح مؤثر و بهبود در رسانایی است.
در ادامه، نویسندگان مقاله به مزایا و اهمیت این گروه از مواد اشاره میکنند:
- مساحت سطح بسیار بزرگ
- ساختار قابل تنظیم
- قابلیت اصلاح شیمیایی در چند مرحله
- رسانایی مناسب برای واکنشهای الکتروشیمیایی
- پایداری مناسب در محیطهای عملیاتی
- قابلیت استفاده در مقیاس صنعتی
اما در کنار تمام این موفقیتها، پژوهشگران به چالشهای موجود نیز اشاره دارند. هنوز کنترل دقیق مورفولوژی LDHهای مشتق از MOF دشوار است، برخی روشهای سنتزی هزینهبر هستند و پایداری درازمدت در شرایط عملیاتی صنعتی هنوز نیازمند مطالعه بیشتر است. با این حال، انگیزه و پتانسیل بالایی برای توسعه صنعتی این مواد وجود دارد و تیم پژوهشی پیشبینی میکند که طی سالهای آینده، مسیر تجاریسازی این ساختارها هموارتر خواهد شد.
در جمعبندی، این مرور علمی تاکید میکند که LDHهای مشتق از MOF و هیبریدهای MOF/LDH، گزینههایی بسیار امیدوارکننده برای کاربردهای انرژی و محیطزیست به شمار میروند. پژوهشگران اعتقاد دارند که با ادامه تلاشهای بینالمللی، میتوان انتظار داشت که بهزودی الکترودها، جاذبها و کاتالیستهای مبتنی بر این مواد وارد بازار شوند و نقش مهمی در امنیت انرژی و پاکسازی محیطزیست ایفا کنند.
این مقاله که با همکاری دانشگاه مراغه، دانشگاه فناوری مالزی، دانشگاه امارات، دانشگاه لیسبون و دانشگاه ونژو تهیه شده، در واقع نقشهراهی برای پژوهشگران است تا از ظرفیت MOFها به عنوان قالب یا جزء ساختاری، برای تولید نسل تازهای از مواد فعال بهره بگیرند؛ موادی که احتمالاً در آینده نزدیک بخشی از ستونهای اصلی فناوریهای سبز خواهند بود.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان Design and engineering of MOF/LDH hybrid nanocomposites and LDHs derived from MOF templates for electrochemical energy conversion/storage and environmental remediation: Mechanism and future perspectives در نشریه Coordination Chemistry Reviews به چاپ رسیده است.
