결함이 있는 수직 그래핀 MOF 조립으로 간단하고 지속 가능한 화학 물질 생산 가능

19년 2024월 XNUMX일 (나노 워크 스포트라이트) 화학 제조는 현대 문명을 뒷받침합니다. 연료, 플라스틱, 비료 및 의약품이 모두 여기에 의존합니다. 그러나 많은 기존 생산 경로는 지구와 인류 건강에 막대한 피해를 입힙니다. 새로운 촉매 기술은 탄소 배출량을 대폭 낮추고 폐기물을 줄여 현재 공정을 뛰어넘는 것을 목표로 합니다. 오븐 세척 용액부터 반도체 에칭까지 다양한 용도로 사용되는 다용도 산화제인 과산화수소를 살펴보겠습니다. 기존의 안트라퀴논 기반 공장은 선형 방식으로 운영됩니다. 천연 가스는 보일러에 공급되고 용광로는 수소가 풍부한 분위기에서 최대 130°C까지 가열 반응하여 50~70%의 수율로 과산화물을 생산합니다. 광범위한 증류 및 용매 추출을 통해 아세톤 및 기타 유기물이 오염되지 않도록 제품을 정제합니다. 국부적인 태양광 및 풍력 전기가 고온이나 원치 않는 부산물 없이 물과 산소를 전기화학적으로 과산화수소로 변환할 수 있다면 어떨까요? 결혼의 급속한 발전 덕분에 지속 가능한 비전이 실현 가능한 것 같습니다. 금속-유기 프레임워크(MOF) 그리고 그래핀. 그러나 이러한 기술을 효율적으로 결합하는 데에는 여전히 엄청난 장애물이 남아 있습니다. 유기 분자로 연결된 금속 노드로 구성된 결정질 화합물인 MOF는 최고의 활성탄에 필적하는 믿을 수 없을 만큼 높은 내부 표면적을 자랑합니다. 이 자산은 단순히 다른 금속이나 유기 리간드를 대체하여 조정할 수 있는 풍부한 촉매 활성 사이트로 변환됩니다. 특히 코발트 함유 MOF는 과산화수소에 대한 2전자 산소 환원 반반응에 대한 활성과 선택성의 균형을 유지합니다. 그러나 전기 전도성이 좋지 않아 성능이 저하됩니다. 또한 시간이 지남에 따라 용액에 쉽게 용해되고 분해됩니다. 그래 핀탄소 원자가 벌집형 격자로 배열된 단일층인 는 뛰어난 전도성과 표면적, 기계적 강도를 자랑합니다. 이러한 특성으로 인해 과학자들은 이를 MOF 입자를 고정하기 위한 지지 구조로 간주했습니다. 높은 표면적은 전도성을 향상시키면서 MOF를 고정할 수 있는 충분한 사이트를 제공합니다. 그래핀 층 사이에 MOF를 끼우면 화학적 탄력성을 강화할 수도 있습니다. 불행하게도 초기 제작 시도는 제한적인 성공을 거두었습니다. 대부분의 방법에서는 그래핀-MOF 복합재를 생산하기 위해 극한의 온도, 압력 또는 부식성 화학 물질이 필요합니다. MOF 입자는 그래핀 표면 전체에 걸쳐 균일하게 결합하지 못했습니다. 그리고 가혹한 가공 조건으로 인해 두 구성 요소의 탐나는 특성이 감소했습니다. 더 간단한 경로를 찾기 위해 뉴사우스웨일스 대학교 연구팀은 플라즈마 강화 화학 기상 증착을 통해 기판 위에 성장한 수직 시트로 구성된 재료인 수직 그래핀으로 전환했습니다. 이 기술은 원래의 기본 평면보다는 그래핀 가장자리와 표면에 풍부한 결함 사이트를 생성합니다. 그리고 수직 정렬은 솔루션에 대한 완전한 접근과 반응을 보장합니다.

단일 단계 함침 방법을 통해 수직 그래핀으로부터 VG-ZIF-67 제조에 대한 개략도

단일 단계 함침 방법을 통해 수직 그래핀으로부터 VG-ZIF-67을 제조하는 방법을 개략적으로 설명합니다. (이미지: Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄) 결과 보고 고급 재료 (“그래핀 및 MOF 조립: MOF 비정질화를 통한 향상된 제작 및 기능성 파생물”), 연구원들은 수직 그래핀 샘플을 실온에서 몇 분 동안 MOF 전구체 용액에 담그기만 하면 균일한 코팅이 자가 조립된다는 것을 발견했습니다. 세 가지 다른 MOF 품종인 ZIF-7, ZIF-8 및 ZIF-67은 모두 계면활성제나 기타 가공 보조제 없이 그래핀에 20-130 nm 입자로 성공적으로 부착되었습니다. MOF 어셈블리를 구동하는 수직 그래핀에서 원자 수소 결함의 중요한 역할은 팀이 결함을 제거하기 위해 어닐링된 샘플에 대한 실험을 반복했을 때 분명해졌습니다. 이후에는 훨씬 적은 수의 MOF 나노입자가 부착됩니다. 풍부한 수소 결함은 MOF 전구체의 흡착 및 결정화를 에너지적으로 선호하는 것으로 생각됩니다. 그러나 완벽한 MOF 결정은 전기화학 반응을 촉매하는 데 어려움을 겪습니다. 그래서 연구팀은 고정된 ZIF-67 입자를 비정질 필름으로 변환하는 방법을 조사했습니다. 400°C로 가열하기 전에 안정화제로 이온성 액체를 첨가하면 단거리 분자 결합을 유지하면서 장거리 질서를 잃는 30nm 코팅이 생성되었습니다. 이 아키텍처는 반응성을 위한 필수 화학적 모티프를 유지하면서 파손을 방지했습니다. 과산화수소에 대한 95전자 산소 환원 반반응에 대해 테스트했을 때 복합 촉매는 높은 활성과 20% 이상의 탁월한 선택성을 나타냈습니다. 또한 XNUMX시간 이상 안정적인 것으로 나타났습니다. 내구성은 수직 그래핀과 용해를 완화하는 비정질화된 MOF 구성 요소 사이의 강한 화학적 친화성에서 발생합니다. 그래핀-MOF 촉매는 재생 가능한 화학물질 생산부터 배터리, 탄소 포집에 이르기까지 응용 분야 전반에 걸쳐 많은 가능성을 갖고 있습니다. 그러나 상업적 규모로 잠재력을 발휘하려면 경쟁력 있는 제조 비용이 필요합니다. 이 연구에서는 준비를 단순화하여 해당 목표를 달성할 수 있도록 했습니다. 저렴하고 결함이 많은 수직 그래핀을 쉽게 사용할 수 있는 MOF 전구체 솔루션에 담그는 것만으로도 복잡한 하이브리드 아키텍처가 안정적으로 생성됩니다. 후속 처리 조건을 조정하면 주어진 반응이나 작동 환경에 필요에 따라 구조와 특성을 추가로 맞춤화할 수 있습니다.

By

마이클
버거