Investigadores pertencentes aos Departamentos de Química (Filipe A. Almeida Paz, Ricardo F. Mendes e Patrícia Silva) e Ciências e Engenharia de Materiais (Filipe Figueiredo, Paula Barbosa e Eddy Domingues), os cientistas descobriram que o factor preponderante para esta elevada condutividade reside na pouco usual transformação estrutural baseada na inclusão de moléculas de água com a simultânea saída de iões cloreto.

Duas décadas de investigação em MOFs

O grupo de investigação liderado por Filipe A. Almeida Paz tem vindo a trabalhar na síntese, caracterização e aplicação de materiais baseados em ligandos do tipo polifosfonato e iões lantanídeo. Muitos dos novos compostos desenvolvidos demonstraram ser excelentes catalisadores heterogéneos, ao mesmo tempo que demonstram outras propriedades tais como fotoluminêsncia.

“A estrutura deste novo material, [Gd2(H3nmp)2]·xH2O, foi-nos desconhecida durante muitos anos” reforçou Filipe A. Almeida Paz. “De facto, preparámo-la há mais de 13 anos pelas mãos do meu primeiro colaborador de pós-doutoramento, Luís Cunha-Silva, hoje em dia um Investigador independente na Universidade do Porto. O difractograma de raios-X de pós mostrou a presença de um material “pouco cristalino” que acabou por ser posto de lado por vários anos. A minha primeira aluna de doutoramento, a Patrícia Silva (que trabalha hoje na companhia Dyson no Reino Unido), voltou a isolar este material em inúmeras circunstâncias, mas nunca conseguimos resolver a estrutura cristalina. Apenas quando o Ricardo Mendes veio trabalhar para Aveiro é que conseguimos fazer crescer um pequeno mono-cristal de baixa qualidade que foi de importância extrema na resolução cristalográfica deste sistema. A grande surpresa foi quando observámos a transformação in situ de [Gd(H4nmp)(H2O)2]Cl·2H2O, um catalisador fenomenal publicado por nós uns anos antes no Chemistry-A European Journal, num material cristalino cujo padrão de raios-X de pós que se assemelhava imenso com o do novo composto [Gd2(H3nmp)2]·xH2O.”

Condutividade Notável

As amostras foram estudadas no grupo do Filipe Figueiredo no respeitante a estudos de adsorção dinâmica de vapor de água e propriedades eléctricas em condições de temperatura e humidades relativas distintas. Eddy Domingues e Paula Barbosa executaram estas experiências de forma a estudar in situ a transformação de fase do material original num novo MOF que se verificou ser um dos melhores condutores protónicos cuja condutividade a 94 °C e 98% de humidade relativa é de 0.51 S cm-1. Este resultado representa um aumento de cerca de cinco ordens de magnitude referente ao material original. Este composto pode também ser directamente obtido usando várias formas de síntese química, observando-se valores de condutividade na ordem de 3.79×10-2 S cm-1 (nas mesmas condições). O factor estrutural para esta elevada condutividade trata-se de uma transformação dinâmica pouco usual em que iões cloreto são substituídos por moléculas de água.

“Este trabalho pode ser encarado como uma “prova de conceito” de forma a desenhar novos materiais do tipo MOF baseados em simples processos de troca aniónica” aforma Filipe A. Almeida Paz. “Depois destes resultados interessantes estamos agora interessados num novo caminho de investigação focado neste tipo de transformações químicas de forma a explorar outros sistemas e melhorar, dessa forma, as propriedades de muitos outros MOFs por nós preparados ao longo dos anos.”

Referência bibliográfica

Enhanced Proton Conductivity in a Layered Coordination Polymer* *

Ricardo F. Mendes, Paula Barbosa, Eddy M. Domingues, Patrícia Silva, Filipe Figueiredo, Filipe A. Almeida Paz

Chemical Science, 2020, Volume 11, Pages 6305-6311

DOI: 10.1039/d0sc01762k

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/SC/D0SC01762K