19 Φεβρουαρίου 2024 (Προβολέας Nanowerk) Η χημική παραγωγή στηρίζει τον σύγχρονο πολιτισμό – τα καύσιμα, τα πλαστικά, τα λιπάσματα και τα φαρμακευτικά προϊόντα βασίζονται σε αυτήν. Ωστόσο, πολλές παραδοσιακές διαδρομές παραγωγής επιβαρύνουν βαριά τον πλανήτη και την ανθρώπινη υγεία. Οι νέες καταλυτικές τεχνικές στοχεύουν να υπερπηδήσουν τις τρέχουσες διεργασίες με δραστικά χαμηλότερα αποτυπώματα άνθρακα και λιγότερα απόβλητα. Πάρτε το υπεροξείδιο του υδρογόνου, ένα ευέλικτο οξειδωτικό που χρησιμοποιεί από διαλύματα καθαρισμού φούρνου μέχρι χάραξη ημιαγωγών. Τα συμβατικά εργοστάσια που βασίζονται στην ανθρακινόνη λειτουργούν με γραμμικό τρόπο: το φυσικό αέριο τροφοδοτεί λέβητες και αντιδράσεις θέρμανσης κλιβάνων έως 130 °C σε ατμόσφαιρες πλούσιες σε υδρογόνο για να παρέχουν υπεροξείδιο σε αποδόσεις μόλις 50-70%. Οι εκτεταμένες αποστάξεις και εκχυλίσεις με διαλύτες καθαρίζουν το προϊόν από τη μόλυνση της ακετόνης και άλλων οργανικών ουσιών. Τι θα γινόταν αν η τοπική ηλιακή και αιολική ηλεκτρική ενέργεια μπορούσε να μετατρέψει ηλεκτροχημικά το νερό και το οξυγόνο σε υπεροξείδιο του υδρογόνου χωρίς υψηλές θερμοκρασίες ή ανεπιθύμητα υποπροϊόντα; Αυτό το βιώσιμο όραμα φαίνεται εφικτό χάρη στην ταχεία πρόοδο του γάμου μεταλλικά-οργανικά πλαίσια (MOFs) και γραφένιο. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν τρομερά εμπόδια για την αποτελεσματική σύζευξη αυτών των τεχνολογιών. Ως κρυσταλλικές ενώσεις που περιλαμβάνουν μεταλλικούς κόμβους που συνδέονται με οργανικά μόρια, τα MOF διαθέτουν απίστευτα υψηλές εσωτερικές επιφάνειες που συναγωνίζονται τους καλύτερους ενεργούς άνθρακες. Αυτό το περιουσιακό στοιχείο μεταφράζεται σε άφθονες καταλυτικές ενεργές τοποθεσίες που μπορούν να συντονιστούν απλώς με την υποκατάσταση διαφορετικών μετάλλων ή οργανικών προσδεμάτων. Τα MOF που περιέχουν κοβάλτιο, ειδικότερα, εξισορροπούν τη δραστηριότητα και την εκλεκτικότητα για την μισή αντίδραση μείωσης του οξυγόνου δύο ηλεκτρονίων στο υπεροξείδιο του υδρογόνου. Ωστόσο, η κακή ηλεκτρική αγωγιμότητά τους εμποδίζει την απόδοση. Επίσης, διαλύονται εύκολα και αποικοδομούνται με την πάροδο του χρόνου σε διαλύματα.
Το γραφένιο, ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένο σε δικτυωτό πλέγμα κηρήθρας, διαθέτει αξιοσημείωτη αγωγιμότητα, επιφάνεια και μηχανική αντοχή. Αυτές οι ιδιότητες οδήγησαν τους επιστήμονες να το θεωρήσουν ως δομή στήριξης για τη στερέωση σωματιδίων MOF. Το μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας παρέχει άφθονες θέσεις για αγκύρωση του MOF ενώ βελτιώνει την αγωγιμότητα. Η τοποθέτηση σάντουιτς MOF μεταξύ στρωμάτων γραφενίου μπορεί επίσης να ενισχύσει τη χημική ανθεκτικότητα. Δυστυχώς, οι προηγούμενες προσπάθειες κατασκευής έδειξαν περιορισμένη επιτυχία. Οι περισσότερες μέθοδοι απαιτούν ακραίες θερμοκρασίες, πιέσεις ή καυστικά χημικά για την παραγωγή σύνθετων υλικών γραφενίου-MOF. Τα σωματίδια MOF απέτυχαν να συνδεθούν ομοιόμορφα και στις επιφάνειες γραφενίου. Και οι ίδιες οι σκληρές συνθήκες επεξεργασίας μείωσαν τις πολυπόθητες ιδιότητες και των δύο συστατικών. Αναζητώντας μια απλούστερη διαδρομή, μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας στράφηκε στο κατακόρυφο γραφένιο - ένα υλικό που αποτελείται από κάθετα φύλλα που αναπτύσσονται σε υποστρώματα μέσω εναπόθεσης χημικών ατμών ενισχυμένη με πλάσμα. Η τεχνική δημιουργεί άφθονες θέσεις ελαττωμάτων στις άκρες και τις επιφάνειες γραφενίου παρά στα παρθένα βασικά επίπεδα. Και η κάθετη ευθυγράμμιση εξασφαλίζει πλήρη πρόσβαση και αντιδράσεις με λύσεις.
Σχηματική απεικόνιση της παρασκευής του VG-ZIF-67 από το κατακόρυφο γραφένιο μέσω μιας μεθόδου εμποτισμού ενός σταδίου. (Εικόνα: Ανατύπωση με άδεια από την Wiley-VCH Verlag) Αναφέρουν τα ευρήματά τους στο Προηγμένων Υλικών ("Σύστημα γραφενίου και MOF: Βελτιωμένη κατασκευή και λειτουργικό παράγωγο μέσω MOF Amorphization"), οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι βυθίζοντας απλώς κάθετα δείγματα γραφενίου σε διαλύματα πρόδρομων μορίων MOF για λεπτά σε θερμοκρασία δωματίου, ομοιόμορφες επικαλύψεις αυτοσυναρμολογούνται. Τρεις διαφορετικές ποικιλίες MOF – ZIF-7, ZIF-8 και ZIF-67 – όλες επιτυχώς προσαρτήθηκαν ως σωματίδια 20-130 nm στο γραφένιο χωρίς επιφανειοδραστικά ή άλλα βοηθήματα επεξεργασίας. Ο κρίσιμος ρόλος των ελαττωμάτων του ατομικού υδρογόνου στην κατακόρυφη διάταξη MOF που οδηγεί το γραφένιο έγινε σαφής όταν η ομάδα επανέλαβε πειράματα με δείγματα που υποβλήθηκαν σε ανόπτηση για την άρση ελαττωμάτων. Πολύ λιγότερα νανοσωματίδια MOF προσκολλήθηκαν αργότερα. Τα άφθονα ελαττώματα υδρογόνου πιστεύεται ότι ευνοούν ενεργειακά την προσρόφηση και την κρυστάλλωση των πρόδρομων ουσιών MOF. Αλλά οι τέλειοι κρύσταλλοι MOF θέτουν προκλήσεις για την κατάλυση ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Έτσι, η ομάδα εξέτασε τη μετατροπή των αγκυρωμένων σωματιδίων ZIF-67 σε άμορφα φιλμ. Η προσθήκη ενός ιοντικού υγρού ως σταθεροποιητικού παράγοντα πριν από τη θέρμανση στους 400 °C δημιούργησε μια επίστρωση 30 nm διατηρώντας μοριακούς δεσμούς μικρής εμβέλειας αλλά χάνοντας την τάξη μεγάλης εμβέλειας. Αυτή η αρχιτεκτονική απέτρεψε τη θραύση, διατηρώντας παράλληλα βασικά χημικά μοτίβα για αντιδραστικότητα. Όταν δοκιμάστηκε για την ημιαντίδραση αναγωγής οξυγόνου δύο ηλεκτρονίων στο υπεροξείδιο του υδρογόνου, ο σύνθετος καταλύτης συνδυάστηκε με υψηλή δραστηριότητα και εξαιρετική εκλεκτικότητα πάνω από 95%. Αποδείχθηκε επίσης σταθερό για πάνω από 20 ώρες. Η ανθεκτικότητα προκύπτει από την ισχυρή χημική συγγένεια μεταξύ του κατακόρυφου γραφενίου και των αμορφοποιημένων συστατικών MOF που μετριάζουν τη διάλυση. Οι καταλύτες Graphene-MOF υπόσχονται πολλά σε χώρους εφαρμογών, από την παραγωγή χημικών από ανανεώσιμες πηγές έως τις μπαταρίες και τη δέσμευση άνθρακα. Αλλά το ξεκλείδωμα των δυνατοτήτων τους σε εμπορική κλίμακα απαιτεί ανταγωνιστικό κόστος παραγωγής. Αυτή η έρευνα καθιστά εφικτό αυτόν τον στόχο απλοποιώντας την προετοιμασία. Η απλή εμβάπτιση του φθηνού, φορτωμένου με ελαττώματα κατακόρυφου γραφενίου σε άμεσα διαθέσιμες λύσεις προδρόμου MOF δημιουργεί με αξιοπιστία περίπλοκες υβριδικές αρχιτεκτονικές. Ο συντονισμός των επακόλουθων συνθηκών επεξεργασίας προσαρμόζει περαιτέρω τις δομές και τις ιδιότητες όπως απαιτείται για συγκεκριμένες αντιδράσεις ή περιβάλλοντα λειτουργίας.
Σχηματική απεικόνιση της παρασκευής του VG-ZIF-67 από το κατακόρυφο γραφένιο μέσω μιας μεθόδου εμποτισμού ενός σταδίου. (Εικόνα: Ανατύπωση με άδεια από την Wiley-VCH Verlag) Αναφέρουν τα ευρήματά τους στο Προηγμένων Υλικών ("Σύστημα γραφενίου και MOF: Βελτιωμένη κατασκευή και λειτουργικό παράγωγο μέσω MOF Amorphization"), οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι βυθίζοντας απλώς κάθετα δείγματα γραφενίου σε διαλύματα πρόδρομων μορίων MOF για λεπτά σε θερμοκρασία δωματίου, ομοιόμορφες επικαλύψεις αυτοσυναρμολογούνται. Τρεις διαφορετικές ποικιλίες MOF – ZIF-7, ZIF-8 και ZIF-67 – όλες επιτυχώς προσαρτήθηκαν ως σωματίδια 20-130 nm στο γραφένιο χωρίς επιφανειοδραστικά ή άλλα βοηθήματα επεξεργασίας. Ο κρίσιμος ρόλος των ελαττωμάτων του ατομικού υδρογόνου στην κατακόρυφη διάταξη MOF που οδηγεί το γραφένιο έγινε σαφής όταν η ομάδα επανέλαβε πειράματα με δείγματα που υποβλήθηκαν σε ανόπτηση για την άρση ελαττωμάτων. Πολύ λιγότερα νανοσωματίδια MOF προσκολλήθηκαν αργότερα. Τα άφθονα ελαττώματα υδρογόνου πιστεύεται ότι ευνοούν ενεργειακά την προσρόφηση και την κρυστάλλωση των πρόδρομων ουσιών MOF. Αλλά οι τέλειοι κρύσταλλοι MOF θέτουν προκλήσεις για την κατάλυση ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Έτσι, η ομάδα εξέτασε τη μετατροπή των αγκυρωμένων σωματιδίων ZIF-67 σε άμορφα φιλμ. Η προσθήκη ενός ιοντικού υγρού ως σταθεροποιητικού παράγοντα πριν από τη θέρμανση στους 400 °C δημιούργησε μια επίστρωση 30 nm διατηρώντας μοριακούς δεσμούς μικρής εμβέλειας αλλά χάνοντας την τάξη μεγάλης εμβέλειας. Αυτή η αρχιτεκτονική απέτρεψε τη θραύση, διατηρώντας παράλληλα βασικά χημικά μοτίβα για αντιδραστικότητα. Όταν δοκιμάστηκε για την ημιαντίδραση αναγωγής οξυγόνου δύο ηλεκτρονίων στο υπεροξείδιο του υδρογόνου, ο σύνθετος καταλύτης συνδυάστηκε με υψηλή δραστηριότητα και εξαιρετική εκλεκτικότητα πάνω από 95%. Αποδείχθηκε επίσης σταθερό για πάνω από 20 ώρες. Η ανθεκτικότητα προκύπτει από την ισχυρή χημική συγγένεια μεταξύ του κατακόρυφου γραφενίου και των αμορφοποιημένων συστατικών MOF που μετριάζουν τη διάλυση. Οι καταλύτες Graphene-MOF υπόσχονται πολλά σε χώρους εφαρμογών, από την παραγωγή χημικών από ανανεώσιμες πηγές έως τις μπαταρίες και τη δέσμευση άνθρακα. Αλλά το ξεκλείδωμα των δυνατοτήτων τους σε εμπορική κλίμακα απαιτεί ανταγωνιστικό κόστος παραγωγής. Αυτή η έρευνα καθιστά εφικτό αυτόν τον στόχο απλοποιώντας την προετοιμασία. Η απλή εμβάπτιση του φθηνού, φορτωμένου με ελαττώματα κατακόρυφου γραφενίου σε άμεσα διαθέσιμες λύσεις προδρόμου MOF δημιουργεί με αξιοπιστία περίπλοκες υβριδικές αρχιτεκτονικές. Ο συντονισμός των επακόλουθων συνθηκών επεξεργασίας προσαρμόζει περαιτέρω τις δομές και τις ιδιότητες όπως απαιτείται για συγκεκριμένες αντιδράσεις ή περιβάλλοντα λειτουργίας.
– Ο Michael είναι συγγραφέας τριών βιβλίων από τη Royal Society of Chemistry:
Νανο-κοινωνία: Προώθηση των ορίων της τεχνολογίας,
Νανοτεχνολογία: Το μέλλον είναι μικροσκοπικό, να
Νανομηχανική: Οι δεξιότητες και τα εργαλεία που καθιστούν την τεχνολογία αόρατη
Copyright ©
Nanowerk LLC
Γίνετε συγγραφέας προσκεκλημένων! Εγγραφείτε στη μεγάλη και αναπτυσσόμενη ομάδα μας συμμετέχοντες. Μόλις δημοσιεύσατε μια επιστημονική εργασία ή έχετε άλλες συναρπαστικές εξελίξεις για κοινή χρήση με την κοινότητα νανοτεχνολογίας; Δείτε πώς μπορείτε να δημοσιεύσετε στο nanowerk.com.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64681.php
