Regulering af reaktiviteten af ​​sort fosfor gennem beskyttende kemi

Kemikere kan rationelt regulere reaktiviteten af ​​molekyler og funktionelle grupper i både industrielle og laboratoriebaserede syntetiske organiske kemiske processer. Konceptet kan anvendes på uorganiske nanomaterialer, herunder todimensionelle (2-D) sorte fosfor (BP) nanoark. For eksempel, videnskabsmænd kan "lukke" den høje reaktivitet af få lag eller monolag sort fosfor, når forbindelsen ikke er i brug, at genoptage sin aktivitet efter ansøgning. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Xiao Liu og et hold af videnskabsmænd i fysik, biomaterialer, kemiteknik og biologisk kemi i Kina udviklede en beskyttende kemi-baseret metode til at regulere reaktiviteten af ​​sort fosfor.

For at påbegynde det beskyttende trin, de bandt aluminiumkationer (Al ³⁺ ) med enlige elektronpar fra sort fosfor (BP) og reducerede elektrontætheden på den sorte fosforoverflade. De afsluttede processen med et ilt/vand-resistent lag via selvsamling af hydrofob (vandhadende) 1, 2-benzendithiol (BDT) på den sorte phosphor/aluminium (BP/Al) ³⁺ ) konjugat. Det beskyttende trin frembragte en stabil forbindelse med lav reaktivitet. Ved at bruge en chelatorbehandlingsproces, Liu et al. opnåede efterfølgende afbeskyttelse af BP/Al ³⁺ /BDT-kompleks for at fjerne aluminiumkationer og BDT fra den sorte fosforoverflade. På denne måde de genvundne elektrontætheden af ​​sort fosfor ved hjælp af afbeskyttelsesprocessen for at genoprette reaktiviteten til forbindelsen.

Afstemning af nanomaterialers egenskaber

Liu et al. rationelt udviklet en beskyttende kemi-baseret metode til at kontrollere reaktiviteten af ​​sort fosfor under dette arbejde. Inden for nanovidenskab, forskere kan præcist justere egenskaberne af nanomaterialer for at opnå ønskede egenskaber. Regulering af reaktiviteten af ​​nanomaterialer er afgørende for flertrins programmerbare applikationer. Nogle nanomaterialer kan beskyttes for at reducere deres reaktivitet under specifikke forhold og genoprette aktiviteten efter vellykket afbeskyttelse. Forskere har derfor foreslået en række selektive og effektive strategier til at regulere reaktiviteten af ​​funktionelle grupper i organisk kemi.

Imidlertid, de eksisterende veletablerede organiske beskyttende-afbeskyttelsesprocesser kan ikke anvendes på uorganiske nanomaterialer på grund af mangel på lignende funktionelle grupper. Som resultat, en effektiv og enkel tilgang til at kontrollere reaktiviteten af ​​uorganiske materialer mangler at blive udviklet. For at opnå dette, holdet begyndte at binde sort fosfor med aluminiumkationer (Al ³⁺ ) for at reducere overfladeelektrondensiteten og effektivt reducere dens reaktivitet. Den beskyttende proces frembragte et arrangement af den hydrofobe (vandhadende) 1, 2-benezendithiol (BDT) molekyle i nærværelse af sort fosfor og Al ³⁺ kationer for at tilbyde et ultrastabilt kompleks (BP/Al ³⁺ /BDT). Forbindelsen var stabil under omgivende betingelser i op til to måneder uden ændringer. Holdet kan afbeskytte det ustabile kompleks gennem chelatorbehandling.

Syntese og karakterisering af BP/Al ³⁺ /BDT-forbindelse

Liu et al. syntetiserede og karakteriserede (testede) bulk sort fosfor (BP) ved at følge en tidligere udviklet metode. Holdet opnåede først BP nanosheets ved at sonikere den pulveriserede form af molekylet, derefter ved hjælp af scanningselektronmikroskopi og transmissionselektronmikroskopi (TEM), de observerede størrelsen af ​​BP. TEM med høj opløsning gav også indsigt i nanoarkstrukturen, og atomkraftmikroskopi afslørede tykkelsen af ​​BP med fire til seks individuelle lag af phosphorenlag. Ved hjælp af røntgendiffraktion og Raman-spektre, holdet fastslog, at BP's krystalegenskaber svarede til dets bulkform. Ved det beskyttende trin med kationisk binding til BP-overfladen, Liu et al. blandet BP med aluminiumchlorid (AlCl ₃ ) i en ethanolopløsning. De karakteriserede derefter den vellykkede tilknytning af Al ³⁺ kationer til BP-overfladen for at styrke beskyttelsen af ​​BP ved at anvende røntgenfotoelektronspektroskopi. Holdet observerede nanomorfologien af ​​forbindelsen og studerede overfladekonformationen ved hjælp af scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) og verificerede yderligere dens struktur med Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi og proton nuklear magnetisk resonans ( ¹ HNMR).

Liu et al. undersøgte reaktiviteten af ​​BP/Al ³⁺ /BDT kompleks ved at anvende en række optiske teknikker i materialevidenskab til at forstå dets struktur. De tilsvarende billeder viste udviklingen af ​​krystalstrukturen og langtidsstabilitet under omgivende forhold. Stabiliteten af ​​BP/Al ³⁺ /BDT-kompleks var bedre end sort fosfor alene, og resultaterne fremhævede det praktiske ved at indlejre sort fosfor i forbindelsen. Holdet krediterede den reducerede reaktivitet af den komplekse struktur til to faktorer; først, aluminiumkationen, der binder den sorte fosforoverflade, gav lavere kemisk reaktivitet. Sekund, det selvsamlede hydrofobe tætte array på overfladen af ​​sort fosfor isolerede molekylet fra ilt og vand for at forhindre yderligere nedbrydning, forbedring af stoffets stabilitet.

Afbeskyttelse af BP/Al ³⁺ /BDT-forbindelse

Forskerholdet afbeskyttede det ultrastabile kompleks ved at fjerne aluminiumkationen fra overfladen af ​​forbindelsen. De opnåede dette trin med en konventionel metalion-chelator - edetatnatrium (EDTA-4Na). Under processen, Liu et al. fjernede også de hydrofobe BDT-molekyler sammen med aluminiumkationer, at opnå den resulterende hydrofile (vandelskende) overflade med negativt zeta-potentiale, i form ligner det originale sorte fosformolekyle. Den beskyttende-afbeskyttende reguleringsproces gjorde det muligt for forskerne at reversibelt kontrollere reaktiviteten af ​​sort fosfor. Resultaterne tyder på evnen til effektivt at regulere molekylets reaktivitet i praksis.

Outlook

På denne måde Xiao Liu, og kolleger udviklede en ny beskyttende kemi-baseret tilgang til rationelt at regulere reaktiviteten af ​​sort phosphor (BP). Under det beskyttende trin, de bandt aluminiumkationer (Al ³⁺ ) til det enlige elektronpar på BP for at mindske dets overfladeelektrondensitet. Dette beskyttelsestrin forbedrede funktionaliseringen af ​​den hydrofobe (vandhadende) 1, 2-benezendithiol (BDT), på BP/Al ³⁺ konjugeret overflade for at danne et tæt hydrofobt lag, hvilket i høj grad reducerede sort fosfors reaktivitet. Holdet brugte derefter en chelator til at fjerne aluminiumkationerne fra sort fosfor for at vende molekylet tilbage til dets oprindelige høje elektrontæthed, hydrofil (vandelskende) overflade. Det afbeskyttede BP viste høj reaktivitet i sin oprindelige tilstand. Metoden gav en afstembar tilgang til at manipulere reaktiviteten af ​​BP, hvilket er svært at opnå gennem konventionel funktionalisering. Denne beskyttelsesstrategi kan udforskes for at regulere reaktiviteten af ​​nanomaterialer for at skabe futuristiske programmerbare nanostrukturer til applikationer inden for materialevidenskab.

© 2020 Science X Network