Metal-Organic Frameworks Derived Electrochemical Devices

Promovendus/a: Xuan Zhang

Promotor(en): Prof. dr. ir. Jan Fransaer, De heer Jiangshui Luo

Ons dagelijks leven staat bol van elektrochemische apparaten: batterijen, elektrochemische condensatoren, brandstofcellen, elektrochrome ramen en displays, zonnepanelen van Grätzel, .... De vraag naar conventionele elektrochemische apparaten neemt in snel tempo toe. De wereldwijde markt voor lithium-ionbatterijen werd bijvoorbeeld gewaardeerd op 22,8 miljard USD in 2016 en zou naar verwachting in 2025 93,1 miljard USD bedragen. Evenzo zal de markt voor supercapacitors in 2022 groeien naar 2,18 miljard USD, met een jaarlijks groeipercentage van 21% tussen 2016 en 2022 (568,2 miljoen USD in 2015). In de toekomst zullen, gezien de huidige drukte in hernieuwbare energiesystemen en de dringende mondiale CO2-emissiereducties, elektrochemische apparaten zoals metaal-lucht en metaal-zwavelbatterijen, natriumbatterijen, watersplitsende elektrolyse en elektrochemische synthese cellen blijven groeien. Met het oog hierop is er een sterke vraag naar efficiëntere elektrochemische apparaten. De kern van alle elektrochemische apparaten zijn hun elektroden, en daarom wordt de prestatie van deze apparaten grotendeels bepaald door deze elektroden. De prestaties van deze elektroden zijn op hun beurt afhankelijk van de elektro-activiteit van de elektrodematerialen en de technieken voor het voorbereiden van de elektroden. Aan de ene kant zijn de knelpunten van deze elektrochemische materialen de kinetisch trage multi-elektron overdrachtsreacties (bijv. Zuurstofreductiereactie voor brandstofcel en metaal-lucht batterij) en de hoge kosten van deze elektroactieve materialen (bijv. Pt voor zuurstofreductiereactie) ). Metaal-organische raamwerken (MOF's), opgebouwd uit metaalionen of clusters overbrugd door organische liganden, werden beschouwd als ideale zelfopofferende sjablonen voor metaal-koolstof nanomaterialen vanwege hun sterk geordende holtes, open kanalen en rationele samenstelling en structuur. Deze unieke kenmerken Met MOF's kunnen ze dienen als zowel sjabloon- als precursormaterialen (metaal en koolstof). Aan de andere kant omvat de conventionele techniek voor het bereiden van de elektroden verschillende tijdrovende stappen en toevoeging van polymeerbindmiddel, hetgeen het effectieve aantal actieve plaatsen vermindert en de kosten verhoogt. Naadloos kunnen elektroden de oplossing zijn voor bindmiddelproblemen. Daarom behandelt dit proefschrift deze twee aspecten, door de volgende taken:
(1) Constructie van effectieve en goedkope elektro-actieve materialen en toename van het aantal actieve sites per massa / volume van de elektrode: een reeks op BTC-linker gebaseerde MOF's worden ontworpen en voorbereid door de pijlers in deze MOF's te veranderen in werken als een modelplatform voor het onderzoeken van de invloed van MOF-eenheden (dwz organische liganden, metaaleenheden en interacties van deze twee delen) op belangrijke parameters van van MOF afgeleide materialen. Afhankelijk van het begrip van de invloed van MOF-eenheden op de belangrijkste parameters van van MOF afgeleide materialen, zijn geschikte elektroactieve materialen voor specifieke apparaten ontworpen.
(2) Onderzoek naar nieuwe methoden om samengestelde elektro-actieve materialen naadloos in elektroden te integreren: in-situ-synthese van uit MOF afgeleide materialen wordt ten zeerste aanbevolen voor elektrochemische (of foto-elektrische) apparaten, niet alleen vanwege de verbetering van de reactiviteit en eenvoudige recycling, maar ook om vermijd bindmiddel problemen. We hebben een universele strategie voorgesteld voor de in-situ synthese van koolstof-metaaloxide composiet elektrode door elektrodepositie.