Aplicaciones de nanoestructuras porosas metal orgánicas en energías renovables

1. Lic. Heber E. Andrada
Seminario presentado como requisito para el Doctorado en Física
21 de septiembre de 2018
Aplicaciones de nanoestructuras
porosas metal orgánicas en energías renovables
1

2. ✓ En los años 90, los marcos metal - orgánicos (MOFs), formaron una nueva clase de materiales porosos.
✓ Materiales porosos inorgánicos como arcillas, zeolitas y silicatos (almacenamiento y separación de gases o catálisis).
Motivación
✓ Volumen de poro (0,54-0,61 cm3 /g) y superficie específica (2900 m2/g) mayores que cualquier zeolita.
Almacenamiento de gasesLiberación de drogas
Tratamientos de cáncer Catálisis química
BiosensoresBioimágenes
✓ Técnicas de adsorción de gases, demostraron que pueden exhibir porosidad permanente.
✓ Materiales cristalinos formados por la unión de átomos o agregados metálicos con ligandos orgánicos.

3. 3
Estructura del seminario
- Introducción
- Nueva clase de materiales porosos
✓ Que son los marcos metal orgánicos (MOFs)?
✓ Que son los marcos orgánico covalentes (COFs)?
- Síntesis de marcos metal orgánicos
- Funcionalización de marcos metal orgánicos
- Aplicaciones energéticas
✓ Celdas de combustible
✓ Baterías de flujo redox
✓ Almacenamiento de hidrógeno
✓ Paneles fotovoltaicos
- Conclusiones

4. Introducción
Zeolitas (aluminosilicatos)
Carbón activado
MOFs
4
Marcos metal - orgánicos
15,0 Å
Cristal de MOF-5, barra de escala: 50µm y 500nm.

5. 5
Marcos metal orgánicos MOFs
Iones metálicos o clústers Ligandos orgánicos
Marco Metal – Orgánico

6. MOFs basados en Zn
MOFs basados en Zr
Ligandos orgánicos
6
Zn8O13
Zr6O8

7. Marcos orgánicos covalentes
7
Monómero Oligómeros Marco orgánico covalente

8. 8
Síntesis y funcionalización
de marcos metal orgánicos

9. 9
Uio-66
Uio-67
Uio-68
Síntesis de marcos metal - orgánicos

10. Ligando
rígido Metal
(Compuesto
inorgánico)
Marco metal - orgánico
(MOF- 5)
10
Ácido bencenodicarboxílico (H2BDC)
Autoensamble del marco metal - orgánico
Coordinación tetraédrica

11. Funcionalización de marcos metal orgánicos
Reactivos
Productos
Sitios catalíticos
Ligando funcionalizado
MOFs
Ion metálico
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12. 12
Aplicaciones energéticas

13. Síntesis de armazón metal orgánico
Z. Rao, K. Feng, B. Tang y P. Wu. Journal of Membrane Science, 533, (2017), 160–170.
Aplicaciones en celdas de combustible
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14. Z. Rao, B. Tang y P. Wu. ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, (2017), 22597-22603.
Conducción de protones a alta humedad
Conducción de protones a baja humedad
Hidrofílico
Etanol
Agua
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15. 15
V4+ V3+
V5+ V2+
MOFs/polímero
H
+
S. Liu, X. Sang, L. Wang, J. Zhang, J. Song y B. Han. Electrochimica Acta, 257, (2017), 243–249.
Aplicaciones en baterías de flujo redox
Conductividad protónica
Conductividadprotónica
Permeabilidad
Permeabilidad

16. Almacenamiento a temperatura ambiente de hidrógeno
16
M. Orcajo, J. Botas, G. Calleja y M. Sanchez. An. Quím. 108 (1), (2012), 13-20.
Almacenamiento
físico
Materiales para
almacenamiento
N. Stetson. An overview of U.S. DOE’s activities for hydrogen fuel cell technologies, (2012).
Hidruros intersticiales Hidruros complejos
Almacenamiento
químico MOFs Agua
Referencia
≥80 gH2/L70-150 gH2/L100-150 gH2/L 70-150 gH2/L 111 gH2/L

17. Marcos orgánico covalentes COFs
Panel fotovoltaico
1er paso
2do paso
3er paso
donora de e-
(exceso de e-)
aceptora de e-
(carencia de e-)
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F. Qiu, W. Zhao, S. Han, X. Zhuang, H. Lin y F. Zhang . Polymer, 8, (2016), 191.
Radiación
Producción Acumulador
Utilización
Modulo
Regulador
Batería
Lámparas
TV, Radio, etc.
Aparatos
electrodomésticos

18. Conclusiones
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✓ Gran cantidad de combinaciones posibles entre iones metálicos y ligandos orgánicos.
✓ Nueva clase de materiales porosos.
✓ Se pueden sintetizar MOFs con las propiedades específicas que se deseen.
✓ Materiales cristalinos formados por un ion o clúster metálico con ligandos orgánicos.
✓ Su porosidad depende únicamente de la geometría de sus unidades básicas de construcción.
✓ Flexibilidad en cuanto al diseño y funcionalización.
✓ Aplicaciones en celdas de combustible, baterías de flujo redox, almacenamiento de hidrógeno, paneles
fotovoltaicos, entre otras.

19. Muchas gracias por su atención !!!
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20. 20
Iones metálicos o clústers

21. 21
Ligandos
orgánicos

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