欠陥を多く含む垂直グラフェン MOF アセンブリにより、化学物質のシンプルで持続可能な生産が可能に

19 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) 化学製造は現代文明を支えており、燃料、プラスチック、肥料、医薬品はすべて化学製造に依存しています。しかし、多くの従来の生産ルートは地球と人間の健康に多大な損害をもたらしています。新しい触媒技術は、二酸化炭素排出量を大幅に削減し、廃棄物を減らして現在のプロセスを飛躍させることを目指しています。過酸化水素を例に挙げます。過酸化水素は、オーブンの洗浄液から半導体のエッチングまで使用できる多用途の酸化剤です。従来のアントラキノンベースの工場は直線的に稼働します。天然ガスをボイラーに供給し、水素が豊富な雰囲気で反応を最大 130 °C まで加熱し、わずか 50 ～ 70% の収率で過酸化物を生成します。大規模な蒸留と溶媒抽出により、汚染されたアセトンやその他の有機物から製品が精製されます。局地的な太陽光発電と風力発電によって、高温や望ましくない副生成物を発生させることなく、水と酸素を電気化学的に過酸化水素に変換できたらどうなるでしょうか?結婚の急速な進歩のおかげで、その持続可能なビジョンは手の届くところにあるようです有機金属フレームワーク (MOF) そしてグラフェン。しかし、これらのテクノロジーを効率的に組み合わせるには、依然として大きな障害が残っています。有機分子によって結合された金属ノードを含む結晶性化合物として、MOF は最高の活性炭に匹敵する信じられないほど高い内部表面積を誇ります。この資産は、異なる金属または有機配位子を置換するだけで調整可能な豊富な触媒活性部位に変換されます。特に、コバルト含有MOFは、過酸化水素への二電子酸素還元半反応の活性と選択性のバランスをとります。しかし、導電性が低いため、性能が妨げられます。また、溶液中では容易に溶解し、時間の経過とともに分解します。グラフェン、ハニカム格子状に配置された炭素原子の単層であり、驚くべき導電性、表面積、機械的強度を誇ります。これらの特性により、科学者はそれを MOF 粒子を固定するための支持構造として検討しました。表面積が大きいため、導電性を向上させながら MOF を固定するための十分な場所が確保されます。グラフェン層の間に MOF を挟むことによって、化学的回復力も強化される可能性があります。残念ながら、以前の製造の試みでは限定的な成功しか示されませんでした。ほとんどの方法では、グラフェンと MOF 複合材料を製造するために極端な温度、圧力、または苛性化学物質が必要です。 MOF 粒子もグラフェン表面全体に均一に結合できませんでした。そして、過酷な加工条件自体が両方のコンポーネントの切望される特性を低下させました。ニューサウスウェールズ大学の研究チームは、より単純な方法を求めて、プラズマ化学気相成長法によって基板上に成長した垂直シートで構成される材料である垂直グラフェンに注目しました。この技術では、元の基底面ではなく、グラフェンのエッジと表面に豊富な欠陥サイトが作成されます。また、垂直方向の配置により、ソリューションへの完全なアクセスと反応が保証されます。

単一ステップ含浸法による垂直グラフェンからの VG-ZIF-67 の調製の概略図。 (画像: Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) 先端材料 (「グラフェンとMOFのアセンブリ：MOFアモルファス化による強化された製造と機能性誘導体」）、研究者らは、垂直グラフェンサンプルをMOF前駆体溶液に室温で数分間浸すだけで、均一なコーティングが自己組織化されることを発見しました。 7 つの異なる MOF 品種 (ZIF-8、ZIF-67、ZIF-20) はすべて、界面活性剤やその他の加工助剤を使用せずにグラフェン上に 130 ～ 67 nm の粒子として付着することに成功しました。垂直グラフェン駆動MOFアセンブリにおける原子状水素欠陥の重要な役割は、チームが欠陥を除去するためにアニーリングを施したサンプルを使用して実験を繰り返したときに明らかになりました。その後に付着する MOF ナノ粒子ははるかに少なくなりました。豊富な水素欠陥は、MOF 前駆体の吸着と結晶化にエネルギー的に有利であると考えられています。しかし、完璧な MOF 結晶は、電気化学反応を触媒する上で課題を引き起こします。そこで、研究グループは、固定された ZIF-400 粒子を非晶質フィルムに変換することを検討しました。 30 °C に加熱する前に安定化剤としてイオン液体を添加すると、短距離の分子結合を維持しながら長距離の秩序を失った 95 nm のコーティングが生成されました。この構造により、反応性に不可欠な化学モチーフを維持しながら、破壊が防止されました。過酸化水素への二電子酸素還元半反応についてテストしたところ、複合触媒は高い活性と 20% 以上の優れた選択性を兼ね備えました。また、XNUMX時間以上安定していることも証明されました。耐久性は、垂直グラフェンとアモルファス化 MOF コンポーネント間の強い化学親和性によって生じ、溶解を軽減します。グラフェン MOF 触媒は、再生可能化学物質の生産からバッテリー、炭素回収に至るまで、あらゆる応用分野で大きな可能性を秘めています。しかし、商業規模でその可能性を解き放つには、競争力のある製造コストが必要です。この研究では、準備を簡素化することでその目標を達成できるようにしました。安価で欠陥の多い垂直グラフェンを、容易に入手可能な MOF 前駆体溶液に浸すだけで、複雑なハイブリッドアーキテクチャが確実に生成されます。後続の処理条件を調整することで、特定の反応や動作環境の必要に応じて構造や特性をさらにカスタマイズできます。

By

Michael Liebreich
バーガー