19 Şubat 2024 (Nanowerk Gündemi) Kimyasal üretim modern uygarlığın temelini oluşturur; yakıtlar, plastikler, gübreler ve ilaçların tümü ona dayanır. Ancak birçok eski üretim rotası, gezegene ve insan sağlığına ağır zararlar veriyor. Yeni katalitik teknikler, çok daha düşük karbon ayak izi ve daha az atıkla mevcut süreçlerin bir adım ötesine geçmeyi amaçlıyor. Fırın temizleme solüsyonlarından yarı iletken aşındırmaya kadar çok yönlü bir oksidan bulgusu olan hidrojen peroksiti ele alalım. Geleneksel antrakinon bazlı fabrikalar doğrusal bir şekilde çalışır: doğal gaz, yalnızca %130-50 verimle peroksit elde etmek için hidrojen açısından zengin atmosferlerde 70 °C'ye kadar reaksiyonları ısıtan kazanları ve fırınları besler. Kapsamlı damıtma ve solvent ekstraksiyonları, ürünü kirletici aseton ve diğer organik maddelerden arındırır. Ya lokalize güneş ve rüzgar elektriği, yüksek sıcaklıklar ya da istenmeyen yan ürünler olmadan suyu ve oksijeni elektrokimyasal olarak hidrojen peroksite dönüştürebilseydi? Evlilikteki hızlı ilerlemeler sayesinde bu sürdürülebilir vizyon ulaşılabilir görünüyor metal-organik çerçeveler (MOF'ler) ve grafen. Ancak bu teknolojileri verimli bir şekilde eşleştirmenin önündeki zorlu engeller hâlâ devam ediyor. Organik moleküllerle birbirine bağlanan metal düğümlerden oluşan kristalli bileşikler olarak MOF'lar, en iyi aktif karbonlara rakip olabilecek inanılmaz derecede yüksek iç yüzey alanlarına sahiptir. Bu varlık, farklı metallerin veya organik ligandların değiştirilmesiyle kolayca ayarlanabilen bol miktarda katalitik aktif bölgeye dönüşür. Kobalt içeren MOF'ler, özellikle hidrojen peroksite karşı iki elektronlu oksijen indirgeme yarı reaksiyonu için aktiviteyi ve seçiciliği dengeler. Ancak zayıf elektrik iletkenlikleri performansı engeller. Ayrıca çözeltilerde zamanla kolaylıkla çözünürler ve bozunurlar.
GrafenBal peteği şeklinde düzenlenmiş tek bir karbon atomu katmanı, olağanüstü iletkenliğe, yüzey alanına ve mekanik dayanıklılığa sahiptir. Bu özellikler, bilim adamlarının bunu MOF parçacıklarının sabitlenmesi için bir destek yapısı olarak düşünmelerine yol açtı. Yüksek yüzey alanı, iletkenliği artırırken MOF'un sabitlenmesi için geniş alanlar sağlar. MOF'ların grafen katmanları arasına sıkıştırılması da kimyasal esnekliği artırabilir. Ne yazık ki, daha önceki imalat girişimleri sınırlı başarı göstermişti. Çoğu yöntem, grafen-MOF kompozitleri üretmek için aşırı sıcaklıklar, basınçlar veya kostik kimyasallar gerektirir. MOF parçacıkları grafen yüzeylerine de eşit şekilde bağlanamadı. Ve zorlu işleme koşulları, her iki bileşenin de imrenilen özelliklerini azalttı. Daha basit bir yol arayan New South Wales Üniversitesi'ndeki bir araştırma ekibi, plazma destekli kimyasal buhar biriktirme yoluyla substratlar üzerinde büyütülen dikey tabakalardan oluşan bir malzeme olan dikey grafene yöneldi. Teknik, bozulmamış bazal düzlemler yerine grafen kenarlarında ve yüzeylerinde bol miktarda kusur alanı yaratıyor. Ve dikey hizalama, çözümlere tam erişim ve tepki verilmesini sağlar.
Tek adımlı bir emprenye yöntemiyle dikey grafenden VG-ZIF-67'nin hazırlanmasının şematik gösterimi. (Resim: Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Gelişmiş malzemeler (“Grafen ve MOF Düzeneği: MOF Amorfizasyonu Yoluyla Geliştirilmiş Üretim ve Fonksiyonel Türev”), araştırmacılar, dikey grafen numunelerini oda sıcaklığında dakikalar boyunca MOF öncül çözeltilerine daldırarak, tek biçimli kaplamaların kendiliğinden birleştiğini keşfettiler. Üç farklı MOF çeşidi (ZIF-7, ZIF-8 ve ZIF-67), yüzey aktif maddeler veya diğer işleme yardımcıları olmadan grafen üzerine 20-130 nm parçacıklar halinde başarıyla bağlandı. Atomik hidrojen kusurlarının dikey grafen tahrikli MOF düzeneği üzerindeki kritik rolü, ekip kusurları gidermek için tavlamaya tabi tutulan örneklerle deneyleri tekrarladığında netleşti. Daha sonra çok daha az MOF nanopartikülleri bağlandı. Bol hidrojen kusurlarının, MOF öncüllerinin adsorpsiyonunu ve kristalleşmesini enerjik olarak desteklediği düşünülmektedir. Ancak mükemmel MOF kristalleri, elektrokimyasal reaksiyonların katalize edilmesinde zorluklar yaratır. Böylece grup, sabitlenmiş ZIF-67 parçacıklarının amorf filmlere dönüştürülmesini inceledi. 400 °C'ye ısıtmadan önce stabilize edici madde olarak iyonik bir sıvının eklenmesi, kısa mesafeli moleküler bağı koruyan ancak uzun menzilli düzeni kaybeden 30 nm'lik bir kaplama oluşturdu. Bu mimari, reaktivite için gerekli kimyasal motifleri korurken kırılmayı da önledi. Hidrojen peroksite karşı iki elektronlu oksijen indirgeme yarı reaksiyonu açısından test edildiğinde, kompozit katalizör %95'in üzerinde yüksek aktivite ve olağanüstü seçiciliği eşleştirdi. Ayrıca 20 saatten fazla stabil olduğu kanıtlandı. Dayanıklılık, dikey grafen ile çözünmeyi azaltan amorfize MOF bileşenleri arasındaki güçlü kimyasal yakınlıktan kaynaklanır. Grafen-MOF katalizörleri, yenilenebilir kimyasal üretimden pillere ve karbon yakalamaya kadar uygulama alanlarında çok fazla umut vaat ediyor. Ancak potansiyellerini ticari ölçeklerde ortaya çıkarmak, rekabetçi üretim maliyetleri gerektirir. Bu araştırma, hazırlığı basitleştirerek bu hedefi ulaşılabilir kılıyor. Ucuz, kusur yüklü dikey grafeni kolayca bulunabilen MOF öncül çözümlerine daldırmak, güvenilir bir şekilde karmaşık hibrit mimariler oluşturur. Sonraki işleme koşullarının ayarlanması, belirli reaksiyonlar veya çalışma ortamları için gereken yapıları ve özellikleri daha da özelleştirir.
Tek adımlı bir emprenye yöntemiyle dikey grafenden VG-ZIF-67'nin hazırlanmasının şematik gösterimi. (Resim: Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Gelişmiş malzemeler (“Grafen ve MOF Düzeneği: MOF Amorfizasyonu Yoluyla Geliştirilmiş Üretim ve Fonksiyonel Türev”), araştırmacılar, dikey grafen numunelerini oda sıcaklığında dakikalar boyunca MOF öncül çözeltilerine daldırarak, tek biçimli kaplamaların kendiliğinden birleştiğini keşfettiler. Üç farklı MOF çeşidi (ZIF-7, ZIF-8 ve ZIF-67), yüzey aktif maddeler veya diğer işleme yardımcıları olmadan grafen üzerine 20-130 nm parçacıklar halinde başarıyla bağlandı. Atomik hidrojen kusurlarının dikey grafen tahrikli MOF düzeneği üzerindeki kritik rolü, ekip kusurları gidermek için tavlamaya tabi tutulan örneklerle deneyleri tekrarladığında netleşti. Daha sonra çok daha az MOF nanopartikülleri bağlandı. Bol hidrojen kusurlarının, MOF öncüllerinin adsorpsiyonunu ve kristalleşmesini enerjik olarak desteklediği düşünülmektedir. Ancak mükemmel MOF kristalleri, elektrokimyasal reaksiyonların katalize edilmesinde zorluklar yaratır. Böylece grup, sabitlenmiş ZIF-67 parçacıklarının amorf filmlere dönüştürülmesini inceledi. 400 °C'ye ısıtmadan önce stabilize edici madde olarak iyonik bir sıvının eklenmesi, kısa mesafeli moleküler bağı koruyan ancak uzun menzilli düzeni kaybeden 30 nm'lik bir kaplama oluşturdu. Bu mimari, reaktivite için gerekli kimyasal motifleri korurken kırılmayı da önledi. Hidrojen peroksite karşı iki elektronlu oksijen indirgeme yarı reaksiyonu açısından test edildiğinde, kompozit katalizör %95'in üzerinde yüksek aktivite ve olağanüstü seçiciliği eşleştirdi. Ayrıca 20 saatten fazla stabil olduğu kanıtlandı. Dayanıklılık, dikey grafen ile çözünmeyi azaltan amorfize MOF bileşenleri arasındaki güçlü kimyasal yakınlıktan kaynaklanır. Grafen-MOF katalizörleri, yenilenebilir kimyasal üretimden pillere ve karbon yakalamaya kadar uygulama alanlarında çok fazla umut vaat ediyor. Ancak potansiyellerini ticari ölçeklerde ortaya çıkarmak, rekabetçi üretim maliyetleri gerektirir. Bu araştırma, hazırlığı basitleştirerek bu hedefi ulaşılabilir kılıyor. Ucuz, kusur yüklü dikey grafeni kolayca bulunabilen MOF öncül çözümlerine daldırmak, güvenilir bir şekilde karmaşık hibrit mimariler oluşturur. Sonraki işleme koşullarının ayarlanması, belirli reaksiyonlar veya çalışma ortamları için gereken yapıları ve özellikleri daha da özelleştirir.
– Michael, Royal Society of Chemistry tarafından yazılan üç kitabın yazarıdır:
Nano-Toplum: Teknolojinin Sınırlarını Zorlamak,
Nanoteknoloji: Gelecek Küçük, ve
Nano-mühendislik: Teknolojiyi Görünmez Yapan Beceri ve Araçlar
Telif Hakkı ©
Nanowerk LLC
Spotlight konuk yazarı olun! Geniş ve büyüyen grubumuza katılın konuk katkıda bulunanlar. Nanoteknoloji topluluğuyla paylaşmak için bilimsel bir makale yayınladınız mı veya başka heyecan verici gelişmeleriniz mi var? Nanowerk.com'da nasıl yayınlayacağınız burada.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64681.php
