19 februari 2024 (Nanowerk-schijnwerper) Chemische productie vormt de basis van de moderne beschaving – brandstoffen, kunststoffen, meststoffen en farmaceutische producten zijn er allemaal van afhankelijk. Toch eisen veel oude productieroutes een zware tol van de planeet en de menselijke gezondheid. Nieuwe katalytische technieken zijn bedoeld om de huidige processen een stap verder te brengen met een drastisch lagere CO130-voetafdruk en minder afval. Neem waterstofperoxide, een veelzijdig oxidatiemiddel dat wordt gebruikt in oplossingen voor het reinigen van ovens tot het etsen van halfgeleiders. Conventionele fabrieken op basis van antrachinon werken lineair: aardgas voedt ketels en ovens en verhit reacties tot 50 °C in waterstofrijke atmosferen, waardoor peroxide ontstaat met een opbrengst van slechts 70-XNUMX%. Uitgebreide destillaties en extracties met oplosmiddelen zuiveren het product van verontreinigende aceton en andere organische stoffen. Wat als gelokaliseerde zonne- en windenergie in plaats daarvan water en zuurstof elektrochemisch zou kunnen omzetten in waterstofperoxide zonder hoge temperaturen of ongewenste bijproducten? Die duurzame visie lijkt binnen handbereik dankzij de snelle vooruitgang op het gebied van trouwen metaal-organische raamwerken (MOF's) en grafeen. Maar er bestaan nog steeds enorme obstakels voor het efficiënt koppelen van deze technologieën. Als kristallijne verbindingen die bestaan uit metalen knooppunten die zijn verbonden door organische moleculen, beschikken MOF's over ongelooflijk hoge interne oppervlakken die kunnen wedijveren met de beste actieve kool. Deze troef vertaalt zich in overvloedige katalytisch actieve plaatsen die eenvoudigweg kunnen worden afgestemd door verschillende metalen of organische liganden te vervangen. Vooral kobalthoudende MOF's brengen de activiteit en selectiviteit in evenwicht voor de twee-elektronenzuurstofreductie-halfreactie op waterstofperoxide. Toch belemmert hun slechte elektrische geleidbaarheid de prestaties. Ze lossen ook gemakkelijk op en worden na verloop van tijd afgebroken in oplossingen.
Grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster, beschikt over een opmerkelijke geleidbaarheid, oppervlakte en mechanische sterkte. Deze eigenschappen brachten wetenschappers ertoe het te beschouwen als een ondersteunende structuur voor het fixeren van MOF-deeltjes. Het grote oppervlak biedt voldoende locaties om de MOF te verankeren en tegelijkertijd de geleidbaarheid te verbeteren. Het insluiten van MOF's tussen grafeenlagen kan ook de chemische veerkracht versterken. Helaas lieten eerdere fabricagepogingen beperkt succes zien. De meeste methoden vereisen extreme temperaturen, druk of bijtende chemicaliën om grafeen-MOF-composieten te produceren. MOF-deeltjes slaagden er ook niet in om uniform over grafeenoppervlakken te binden. En de zware verwerkingsomstandigheden zelf verminderden de felbegeerde eigenschappen van beide componenten. Op zoek naar een eenvoudiger pad, wendde een onderzoeksteam van de Universiteit van New South Wales zich tot verticaal grafeen – een materiaal dat bestaat uit loodrechte platen die op substraten zijn gegroeid via plasma-versterkte chemische dampafzetting. De techniek creëert overvloedige defectlocaties op grafeenranden en -oppervlakken in plaats van op de ongerepte basale vlakken. En de verticale uitlijning zorgt voor volledige toegang en reacties met oplossingen.
Schematische weergave van de bereiding van VG-ZIF-67 uit verticaal grafeen via een impregnatiemethode in één stap. (Afbeelding: herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) Rapporteren van hun bevindingen in Geavanceerde materialen ("Grafeen- en MOF-assemblage: verbeterde fabricage en functionele afgeleide via MOF-amorfisatie"), ontdekten de onderzoekers dat door simpelweg verticale grafeenmonsters minutenlang bij kamertemperatuur in MOF-precursoroplossingen te dompelen, uniforme coatings zichzelf assembleerden. Drie verschillende MOF-variëteiten – ZIF-7, ZIF-8 en ZIF-67 – zijn allemaal met succes bevestigd als deeltjes van 20-130 nm op het grafeen zonder oppervlakteactieve stoffen of andere verwerkingshulpmiddelen. De cruciale rol van atomaire waterstofdefecten bij de verticale grafeenaandrijvende MOF-assemblage werd duidelijk toen het team experimenten herhaalde met monsters die werden onderworpen aan uitgloeien om defecten te verwijderen. Veel minder MOF-nanodeeltjes hechtten zich achteraf. Aangenomen wordt dat de overvloedige waterstofdefecten energetisch de adsorptie en kristallisatie van MOF-voorlopers bevorderen. Maar perfecte MOF-kristallen vormen uitdagingen voor het katalyseren van elektrochemische reacties. Daarom onderzocht de groep het omzetten van verankerde ZIF-67-deeltjes in amorfe films. Het toevoegen van een ionische vloeistof als stabilisator vóór verwarming tot 400 ° C genereerde een coating van 30 nm die de moleculaire binding op korte afstand handhaafde, maar de orde op lange afstand verloor. Deze architectuur voorkwam breuken terwijl essentiële chemische motieven voor reactiviteit behouden bleven. Toen de samengestelde katalysator werd getest op de twee-elektronenzuurstofreductie-halfreactie met waterstofperoxide, combineerde hij een hoge activiteit en een uitzonderlijke selectiviteit van meer dan 95%. Het bleek ook meer dan 20 uur stabiel. De duurzaamheid komt voort uit de sterke chemische affiniteit tussen het verticale grafeen en de geamorfiseerde MOF-componenten, waardoor het oplossen wordt beperkt. Grafeen-MOF-katalysatoren zijn veelbelovend in de toepassingsruimten, van de productie van hernieuwbare chemicaliën tot batterijen en het afvangen van koolstof. Maar om hun potentieel op commerciële schaal te ontsluiten zijn concurrerende productiekosten nodig. Dit onderzoek brengt dat doel binnen handbereik door de voorbereiding te vereenvoudigen. Alleen al het onderdompelen van goedkoop, met defecten beladen verticaal grafeen in direct beschikbare MOF-voorloperoplossingen genereert op betrouwbare wijze ingewikkelde hybride architecturen. Door de daaropvolgende verwerkingsomstandigheden af te stemmen, worden de structuren en eigenschappen verder aangepast als dat nodig is voor bepaalde reacties of werkomgevingen.
Schematische weergave van de bereiding van VG-ZIF-67 uit verticaal grafeen via een impregnatiemethode in één stap. (Afbeelding: herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) Rapporteren van hun bevindingen in Geavanceerde materialen ("Grafeen- en MOF-assemblage: verbeterde fabricage en functionele afgeleide via MOF-amorfisatie"), ontdekten de onderzoekers dat door simpelweg verticale grafeenmonsters minutenlang bij kamertemperatuur in MOF-precursoroplossingen te dompelen, uniforme coatings zichzelf assembleerden. Drie verschillende MOF-variëteiten – ZIF-7, ZIF-8 en ZIF-67 – zijn allemaal met succes bevestigd als deeltjes van 20-130 nm op het grafeen zonder oppervlakteactieve stoffen of andere verwerkingshulpmiddelen. De cruciale rol van atomaire waterstofdefecten bij de verticale grafeenaandrijvende MOF-assemblage werd duidelijk toen het team experimenten herhaalde met monsters die werden onderworpen aan uitgloeien om defecten te verwijderen. Veel minder MOF-nanodeeltjes hechtten zich achteraf. Aangenomen wordt dat de overvloedige waterstofdefecten energetisch de adsorptie en kristallisatie van MOF-voorlopers bevorderen. Maar perfecte MOF-kristallen vormen uitdagingen voor het katalyseren van elektrochemische reacties. Daarom onderzocht de groep het omzetten van verankerde ZIF-67-deeltjes in amorfe films. Het toevoegen van een ionische vloeistof als stabilisator vóór verwarming tot 400 ° C genereerde een coating van 30 nm die de moleculaire binding op korte afstand handhaafde, maar de orde op lange afstand verloor. Deze architectuur voorkwam breuken terwijl essentiële chemische motieven voor reactiviteit behouden bleven. Toen de samengestelde katalysator werd getest op de twee-elektronenzuurstofreductie-halfreactie met waterstofperoxide, combineerde hij een hoge activiteit en een uitzonderlijke selectiviteit van meer dan 95%. Het bleek ook meer dan 20 uur stabiel. De duurzaamheid komt voort uit de sterke chemische affiniteit tussen het verticale grafeen en de geamorfiseerde MOF-componenten, waardoor het oplossen wordt beperkt. Grafeen-MOF-katalysatoren zijn veelbelovend in de toepassingsruimten, van de productie van hernieuwbare chemicaliën tot batterijen en het afvangen van koolstof. Maar om hun potentieel op commerciële schaal te ontsluiten zijn concurrerende productiekosten nodig. Dit onderzoek brengt dat doel binnen handbereik door de voorbereiding te vereenvoudigen. Alleen al het onderdompelen van goedkoop, met defecten beladen verticaal grafeen in direct beschikbare MOF-voorloperoplossingen genereert op betrouwbare wijze ingewikkelde hybride architecturen. Door de daaropvolgende verwerkingsomstandigheden af te stemmen, worden de structuren en eigenschappen verder aangepast als dat nodig is voor bepaalde reacties of werkomgevingen.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64681.php
