Ngày 19 tháng 2024 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Sản xuất hóa chất là nền tảng của nền văn minh hiện đại - nhiên liệu, nhựa, phân bón và dược phẩm đều dựa vào nó. Tuy nhiên, nhiều tuyến sản xuất truyền thống gây ra tổn thất nặng nề cho hành tinh và sức khỏe con người. Các kỹ thuật xúc tác mới nhằm mục đích vượt qua các quy trình hiện tại với lượng khí thải carbon thấp hơn đáng kể và ít chất thải hơn. Lấy hydro peroxide, một chất oxy hóa linh hoạt được sử dụng từ dung dịch làm sạch lò nướng đến khắc chất bán dẫn. Các nhà máy dựa trên anthraquinone thông thường hoạt động theo kiểu tuyến tính: khí tự nhiên cung cấp cho nồi hơi và lò đốt các phản ứng gia nhiệt lên tới 130°C trong môi trường giàu hydro để thu được peroxide chỉ với hiệu suất 50-70%. Quá trình chưng cất và chiết dung môi rộng rãi sẽ làm sạch sản phẩm khỏi làm nhiễm axeton và các chất hữu cơ khác. Điều gì sẽ xảy ra nếu điện gió và mặt trời cục bộ có thể chuyển đổi điện hóa nước và oxy thành hydro peroxide mà không cần nhiệt độ cao hoặc các sản phẩm phụ không mong muốn? Tầm nhìn bền vững đó dường như nằm trong tầm tay nhờ những tiến bộ nhanh chóng trong việc kết hôn. khung hữu cơ kim loại (MOF) và graphene. Nhưng những trở ngại ghê gớm để kết hợp hiệu quả những công nghệ đó vẫn còn tồn tại. Là các hợp chất tinh thể bao gồm các nút kim loại được liên kết bởi các phân tử hữu cơ, MOF có diện tích bề mặt bên trong cực kỳ cao, sánh ngang với các loại than hoạt tính tốt nhất. Tài sản đó chuyển thành các vị trí hoạt động xúc tác dồi dào có thể điều chỉnh được chỉ bằng cách thay thế các kim loại hoặc phối tử hữu cơ khác nhau. Đặc biệt, MOF chứa coban có tác dụng cân bằng hoạt tính và tính chọn lọc cho nửa phản ứng khử oxy hai electron với hydro peroxide. Tuy nhiên, độ dẫn điện kém của chúng cản trở hiệu suất. Chúng cũng dễ dàng hòa tan và phân hủy theo thời gian trong dung dịch.
Graphene, một lớp nguyên tử carbon được sắp xếp theo mạng lưới tổ ong, có độ dẫn điện, diện tích bề mặt và độ bền cơ học vượt trội. Những đặc tính đó khiến các nhà khoa học coi nó như một cấu trúc hỗ trợ để cố định các hạt MOF. Diện tích bề mặt cao mang lại nhiều vị trí để neo MOF đồng thời cải thiện độ dẫn điện. Việc kẹp MOF giữa các lớp graphene cũng có thể tăng cường khả năng phục hồi hóa học. Thật không may, những nỗ lực chế tạo trước đó cho thấy thành công rất hạn chế. Hầu hết các phương pháp đều yêu cầu nhiệt độ, áp suất hoặc hóa chất ăn da cực cao để sản xuất vật liệu tổng hợp graphene-MOF. Các hạt MOF cũng không thể liên kết đồng đều trên các bề mặt graphene. Và bản thân các điều kiện xử lý khắc nghiệt đã làm giảm đi những đặc tính đáng mơ ước của cả hai thành phần. Đang tìm kiếm một con đường đơn giản hơn, một nhóm nghiên cứu tại Đại học New South Wales đã chuyển sang sử dụng graphene thẳng đứng – một vật liệu bao gồm các tấm vuông góc mọc trên các chất nền thông qua quá trình lắng đọng hơi hóa học được tăng cường bằng plasma. Kỹ thuật này tạo ra nhiều vị trí khuyết tật trên các cạnh và bề mặt graphene thay vì trên các mặt phẳng cơ bản nguyên sơ. Và sự căn chỉnh theo chiều dọc đảm bảo khả năng truy cập đầy đủ và phản ứng với các giải pháp.
Sơ đồ minh họa quá trình điều chế VG-ZIF-67 từ graphene thẳng đứng thông qua phương pháp ngâm tẩm một bước. (Hình ảnh: Được in lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Báo cáo những phát hiện của họ trong Vật liệu tiên tiến (“Lắp ráp graphene và MOF: Chế tạo nâng cao và dẫn xuất chức năng thông qua quá trình biến hình MOF”), các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chỉ bằng cách nhúng các mẫu graphene thẳng đứng vào dung dịch tiền chất MOF trong vài phút ở nhiệt độ phòng, các lớp phủ đồng nhất sẽ tự lắp ráp. Ba loại MOF khác nhau – ZIF-7, ZIF-8 và ZIF-67 – tất cả đều được gắn thành công dưới dạng các hạt có bước sóng 20-130 nm trên graphene mà không cần chất hoạt động bề mặt hoặc các chất hỗ trợ xử lý khác. Vai trò quan trọng của các khuyết tật hydro nguyên tử đối với sự lắp ráp MOF dẫn động graphene thẳng đứng trở nên rõ ràng khi nhóm nghiên cứu lặp lại các thí nghiệm với các mẫu được ủ để loại bỏ các khuyết tật. Sau đó có ít hạt nano MOF hơn được gắn vào. Các khuyết tật hydro dồi dào được cho là có lợi cho sự hấp phụ và kết tinh của tiền chất MOF về mặt năng lượng. Nhưng các tinh thể MOF hoàn hảo đặt ra những thách thức cho việc xúc tác các phản ứng điện hóa. Vì vậy, nhóm đã nghiên cứu việc chuyển đổi các hạt ZIF-67 neo thành màng vô định hình. Việc thêm chất lỏng ion làm chất ổn định trước khi đun nóng đến 400°C sẽ tạo ra lớp phủ 30 nm duy trì liên kết phân tử tầm ngắn nhưng lại mất trật tự ở tầm xa. Kiến trúc này ngăn chặn sự nứt gãy trong khi vẫn giữ được các đặc điểm hóa học thiết yếu cho khả năng phản ứng. Khi thử nghiệm nửa phản ứng khử oxy hai electron với hydro peroxide, chất xúc tác tổng hợp kết hợp hoạt tính cao và độ chọn lọc đặc biệt trên 95%. Nó cũng tỏ ra ổn định trong hơn 20 giờ. Độ bền phát sinh từ ái lực hóa học mạnh giữa graphene thẳng đứng và các thành phần MOF vô định hình giúp giảm thiểu sự hòa tan. Chất xúc tác Graphene-MOF có nhiều hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, từ sản xuất hóa chất tái tạo đến pin cho đến thu hồi carbon. Nhưng việc mở khóa tiềm năng của chúng ở quy mô thương mại đòi hỏi chi phí sản xuất cạnh tranh. Nghiên cứu này đặt mục tiêu đó trong tầm tay bằng cách đơn giản hóa việc chuẩn bị. Chỉ cần nhúng graphene dọc nhiều khuyết tật, rẻ tiền vào các giải pháp tiền chất MOF sẵn có sẽ tạo ra các kiến trúc lai phức tạp một cách đáng tin cậy. Việc điều chỉnh các điều kiện xử lý tiếp theo sẽ tùy chỉnh thêm các cấu trúc và đặc tính cần thiết cho các phản ứng hoặc môi trường vận hành nhất định.
Sơ đồ minh họa quá trình điều chế VG-ZIF-67 từ graphene thẳng đứng thông qua phương pháp ngâm tẩm một bước. (Hình ảnh: Được in lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Báo cáo những phát hiện của họ trong Vật liệu tiên tiến (“Lắp ráp graphene và MOF: Chế tạo nâng cao và dẫn xuất chức năng thông qua quá trình biến hình MOF”), các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chỉ bằng cách nhúng các mẫu graphene thẳng đứng vào dung dịch tiền chất MOF trong vài phút ở nhiệt độ phòng, các lớp phủ đồng nhất sẽ tự lắp ráp. Ba loại MOF khác nhau – ZIF-7, ZIF-8 và ZIF-67 – tất cả đều được gắn thành công dưới dạng các hạt có bước sóng 20-130 nm trên graphene mà không cần chất hoạt động bề mặt hoặc các chất hỗ trợ xử lý khác. Vai trò quan trọng của các khuyết tật hydro nguyên tử đối với sự lắp ráp MOF dẫn động graphene thẳng đứng trở nên rõ ràng khi nhóm nghiên cứu lặp lại các thí nghiệm với các mẫu được ủ để loại bỏ các khuyết tật. Sau đó có ít hạt nano MOF hơn được gắn vào. Các khuyết tật hydro dồi dào được cho là có lợi cho sự hấp phụ và kết tinh của tiền chất MOF về mặt năng lượng. Nhưng các tinh thể MOF hoàn hảo đặt ra những thách thức cho việc xúc tác các phản ứng điện hóa. Vì vậy, nhóm đã nghiên cứu việc chuyển đổi các hạt ZIF-67 neo thành màng vô định hình. Việc thêm chất lỏng ion làm chất ổn định trước khi đun nóng đến 400°C sẽ tạo ra lớp phủ 30 nm duy trì liên kết phân tử tầm ngắn nhưng lại mất trật tự ở tầm xa. Kiến trúc này ngăn chặn sự nứt gãy trong khi vẫn giữ được các đặc điểm hóa học thiết yếu cho khả năng phản ứng. Khi thử nghiệm nửa phản ứng khử oxy hai electron với hydro peroxide, chất xúc tác tổng hợp kết hợp hoạt tính cao và độ chọn lọc đặc biệt trên 95%. Nó cũng tỏ ra ổn định trong hơn 20 giờ. Độ bền phát sinh từ ái lực hóa học mạnh giữa graphene thẳng đứng và các thành phần MOF vô định hình giúp giảm thiểu sự hòa tan. Chất xúc tác Graphene-MOF có nhiều hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, từ sản xuất hóa chất tái tạo đến pin cho đến thu hồi carbon. Nhưng việc mở khóa tiềm năng của chúng ở quy mô thương mại đòi hỏi chi phí sản xuất cạnh tranh. Nghiên cứu này đặt mục tiêu đó trong tầm tay bằng cách đơn giản hóa việc chuẩn bị. Chỉ cần nhúng graphene dọc nhiều khuyết tật, rẻ tiền vào các giải pháp tiền chất MOF sẵn có sẽ tạo ra các kiến trúc lai phức tạp một cách đáng tin cậy. Việc điều chỉnh các điều kiện xử lý tiếp theo sẽ tùy chỉnh thêm các cấu trúc và đặc tính cần thiết cho các phản ứng hoặc môi trường vận hành nhất định.
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64681.php
