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Aug 08, 2023

GTUB3 は初の微多孔質金属です

2022年12月14日、ベルリン工科大学ベルリン工科大学の研究者らは、微多孔性の金属有機フレームワーク（MOF）化合物のクラスから新しい材料を開発した。 一方で、そのような

2022 年 12 月 14 日

ベルリン工科大学による

ベルリン工科大学の研究者らは、微多孔性の金属有機フレームワーク (MOF) 化合物のクラスから新しい材料を開発しました。 一方で、このような化合物は小さな分子や、水素、CO2、さらには毒素などのガスを貯蔵することができます。 一方で、細孔容積が大きいため表面積が大きいため、従来の電池よりもはるかに速く充電できるスーパーキャパシタなどの電極材料としても適しています。

この研究について説明した研究は、Advanced Optical Materials 誌に掲載されています。

これまでの問題は、MOF の大多数が電気の導体が非常に悪いということです。 研究者らによって作成された GTUB3 と呼ばれる新材料は、良導体であるだけでなく、化学的および熱的に非常に安定しています。 特徴的なのは、光を当てると光る蓄光性があることです。 その結果、オプトエレクトロニクス用途や太陽電池にも使用できる可能性があります。

有機金属フレームワーク (MOF) は、現代の化学において最も興味深い材料の 1 つと考えられています。 それらは有機分子に直接結合した金属原子で構成されています。 「これまで、私たちはそのような結晶構造をその美的美しさだけで評価していました。その中には実際にモロッコのタイルを思い出させるものもあります」とベルリン工科大学プロセス科学部第 3 学部のギュンド・ユセサン博士は説明します。 「今日、それらを興味深いものにしているのは、微多孔性MOFを理想的な記憶媒体にする多くの空洞と、反応を促進する大きな表面です。」

とりわけ、この物質クラスの新しい化合物は、分子のモジュール構造により、高度に体系的な方法で開発できます。

無機ビルディングユニット (IBU) は、長鎖の有機ストラット、つまりリンカーを介して互いに接続されています。 これにより、大規模な基本構造を形成することが可能になり、それを層状に繰り返すか、構成要素として積み上げて結晶を形成します。

すでに 10 万人を超える MOF が存在しますが、この研究分野の一部の分野ではまだほとんど開発が行われていません。 「特にリンを含む微多孔性MOFに関しては、これまでのところ50個未満しかありません」とYücesan氏は言う。

「最初に知られたリン MOF は熱的および化学的に非常に安定していることが判明したため、我々の興味をそそられました。」 これらは、反応中に高温になる場合を含め、電解質や酸の中でも長期間耐えることができる電極材料にとって理想的な特性です。

主な問題は、MOF が一般に絶縁体であることです。これは、電荷キャリアが流れる必要がある電極としては基本特性が劣っていることです。 これに応えて、2020年にYücesan氏と彼のチームは、他の大学や研究機関と協力して、より導電性の高い2つの微多孔質リンMOF「TUB75」と「TUB40」（ベルリン工科大学にちなんで命名）を設計した。

GTUB3 の作成は、トルコのゲブゼ工科大学の貢献を称える機会を提供しました。 この新しい化合物には、ホスホン酸に加えて、金属の銅と亜鉛、および4つの炭素環からなるポルフィリンが含まれています。 これらの出発原料はすべて安価で大量に入手可能であり、人体や環境に対して無毒です。 前任の 2 つのモデルとは異なり、半導体 GTUB3 は 3 つの空間方向すべてに同等の導電性を持ち、摂氏 400 度までの耐熱性を備えています。

ユセサン氏は、バスや電車、一部の自動車のブレーキエネルギーを回収する際の短期蓄電に使用されるスーパーキャパシタなどのスーパーキャパシタの改良において、GTUB3 に大きな可能性があると考えています。

これらのスーパーキャパシタは、非常に高い出力密度を備えた電気化学エネルギー貯蔵デバイスであり、従来のバッテリーよりも何倍も速く充電できます。 ただし、同じ質量のバッテリーよりもはるかに少ないエネルギーを蓄えます。 GTUB3 などの新しい電極材料は、このギャップを減らすことを目的としています。 「この新しい化合物は、産業で基板上に塗布するためによく使用される薄膜プロセスにも適しています」とYücesan氏は説明する。