Las estructuras de imidazolato zeolíticas (ZIF), una subclase de estructural metalorgánicas (MOF), se están estudiando para diversas aplicaciones avanzadas, desde la separación de gases y la catálisis hasta el suministro de fármacos y el almacenamiento mecánico de energía. Los materiales ZIF tienen varias ventajas clave: son muy porosos, lo que permite un almacenamiento eficiente de energía, y presentan una excelente estabilidad térmica. Sin embargo, hay un inconveniente importante que limita su aplicación industrial: su inestabilidad en el agua. Con el tiempo, las ZIF tienden a degradarse en ambientes húmedos, cosa que compromete su rendimiento a largo plazo, especialmente en condiciones de inmersión prolongada y de intrusión/extrusión de agua a alta presión como las que requiere el almacenamiento mecánico de energía.

En este estudio, un equipo de investigación español de diferentes instituciones estudió, por primera vez, el uso de MOFs fluoradas para el almacenamiento y disipación de energía mecánica. La investigación, publicada en ACS Applied Materials & Interfaces, fue llevada a cabo por una colaboración entre el CIC EnergiGUNE, el Laboratorio de Materiales Avanzados de la Universidad de Alicante, el Sincrotrón ALBA y el Instituto de Investigaciones Químicas (IIQ) del CSIC-Universidad de Sevilla.

La adición de átomos de flúor a la estructura de un material aumenta su hidrofobicidad, haciéndolo más estable en medios acuosos. El equipo investigador sintetizó dos tipos de ZIF fluoradas mediante un método sencillo y escalable basado en la coprecipitación en un solo recipiente a partir de una solución de metanol y agua. A continuación, probaron las propiedades mecánicas de estos materiales mediante experimentos de intrusión/extrusión de agua, en los que se introduce agua a presión en los poros hidrófobos de la ZIF, simulando un proceso de almacenamiento de energía mecánica.

Las ZIF fluoradas no sólo mostraron una mayor hidrofobicidad, sino también una dinámica de estructura modificada, actuando como «muelles moleculares» mejorados capaces de almacenar y liberar energía mecánica con mayor eficacia. El equipo también demostró que, ajustando el tipo de ligando que contiene flúor, se puede afinar el rendimiento de estas ZIF y se abre así la posibilidad de diseñar una amplia gama de ZIF modificadas con flúor con propiedades únicas.

El Sincrotrón ALBA desempeñó un papel fundamental en el estudio, proporcionando datos de difracción de polvo de rayos X de sincrotrón (SXRPD) para analizar la estructura cristalina de los materiales. Este análisis estructural detallado fue crucial para validar la estabilidad y el rendimiento de los materiales en entornos acuosos.

En general, estos nuevos materiales ZIF fluorados demostraron un rendimiento superior al ZIF-8 tradicional. Eran más estables en agua y resistieron múltiples ciclos de intrusión/extrusión de agua sin sufrir una degradación significativa. Este estudio no sólo supone un avance en el almacenamiento mecánico de energía, sino que también abre una nueva vía para mejorar la estabilidad de las ZIF en diversas aplicaciones, como las tecnologías de separación, el almacenamiento de gas y los generadores nanotriboeléctricos.

Ilustración de la estructura tridimensional de uno de los ZIF fluorados evaluados.

Referencia: 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