Les estructures d’imidazolat zeolítiques (ZIF), una subclasse d'estructures metal·lo-orgàniques (MOF), s'estan estudiant per a diverses aplicacions avançades, des de la separació de gasos i la catàlisi fins al subministrament de fàrmacs i l'emmagatzematge mecànic d'energia. Els materials ZIF tenen diversos avantatges clau: són molt porosos, la qual cosa permet un emmagatzematge eficient d'energia, i presenten una excel·lent estabilitat tèrmica. No obstant això, hi ha un inconvenient important que limita la seva aplicació industrial: la seva inestabilitat en l'aigua. Amb el temps, les ZIF tendeixen a degradar-se en ambients humits, cosa que compromet el seu rendiment a llarg termini, especialment en condicions d'immersió prolongada i d'intrusió/extrusió d'aigua a alta pressió com les que requereix l'emmagatzematge mecànic d'energia.

En aquest estudi, un equip de recerca de diferents institucions espanyoles va estudiar, per primera vegada, l'ús de MOFs fluorades per a l'emmagatzematge i dissipació d'energia mecànica. La recerca, publicada en ACS Applied Materials & Interfaces, va ser duta a terme per una col·laboració entre el CIC EnergiGUNE, el Laboratori de Materials Avançats de la Universitat d'Alacant, el Sincrotró ALBA i l'Institut de Recerques Químiques (IIQ) del CSIC-Universitat de Sevilla.

L'addició d'àtoms de fluor a l'estructura d'un material augmenta la seva hidrofobicitat, fent-lo més estable en medis aquosos. L'equip va sintetitzar dos tipus de ZIF fluorades mitjançant un mètode senzill i escalable basat en la coprecipitació en un sol recipient a partir d'una solució de metanol i aigua. A continuació, van provar les propietats mecàniques d'aquests materials mitjançant experiments d'intrusió/extrusió d'aigua, en els quals s'introdueix aigua a pressió en els porus hidròfobs de la ZIF, simulant un procés d'emmagatzematge d'energia mecànica.

Les ZIF fluorades no només van mostrar una major hidrofobicitat, sinó també una dinàmica d'estructura modificada, actuant com a «molles moleculars» millorades capaces d'emmagatzemar i alliberar energia mecànica amb major eficàcia. L'equip també va demostrar que, ajustant el tipus de lligand que conté fluor, es pot afinar el rendiment d'aquestes ZIF i s'obre així la possibilitat de dissenyar una àmplia gamma de ZIF modificades amb fluor amb propietats úniques.

El Sincrotró ALBA va tenir un paper fonamental en l'estudi, proporcionant dades de difracció de pols de raigs X de sincrotró (SXRPD) per a analitzar l'estructura cristal·lina dels materials. Aquesta anàlisi estructural detallada va ser crucial per a validar l'estabilitat i el rendiment dels materials en entorns aquosos.

En general, aquests nous materials ZIF fluorats van demostrar un rendiment superior al ZIF-8 tradicional. Eren més estables en aigua i van resistir múltiples cicles d'intrusió/extrusió d'aigua sense patir una degradació significativa. Aquest estudi no només suposa un avenç en l'emmagatzematge mecànic d'energia, sinó que també obre una nova via per a millorar l'estabilitat de les ZIF en diverses aplicacions, com les tecnologies de separació, l'emmagatzematge de gas i els generadors nanotriboelèctrics.

Il·lustració de l'estructura tridimensional d'un dels ZIF fluorats avaluats.

Referència: Fluorinated Nanosized Zeolitic-Imidazolate Frameworks as Potential. Devices for Mechanical Energy Storage, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 46374−46383. https://doi.org/10.1021/acsami.4c09969