Et afstembart 2D kovalent netværk til ladningsselektiv fjernelse af giftige farvestoffer fra spildevand

Syntetiske farvestoffer er almindelige ingredienser i tekstilindustrien, men på grund af deres generelle brug, de finder ofte vej til vandområder fra industrispildevand, hvor de forurener vandet og truer vandsikkerheden.

Fjernelse af disse forurenende farvestoffer kan opnås gennem adsorption, hvor farvestofferne opsamles i porerne i meget porøse materialer, der øser forurenende stoffer fra vand og fanger dem i porerne.

Dr. Dinesh Shetty, adjunkt i kemi, har oprettet en tunable, todimensionelt polymert netværk fra en organisk makrocyklus kaldet calixarener, der selektivt kan adsorbere giftige farvestoffer fra spildevand.

Dr. Shetty er medlem af Khalifa University Center for Catalysis and Separation (CeCaS), et af KU's 18 specialiserede forskningscentre. CeCaS-forskningen sigter mod at udvikle praktiske løsninger på kemitekniske udfordringer, som flere industrier står over for i dag. I samarbejde med forskere fra New York University Abu Dhabi, Dr. Shetty har udviklet en ny struktur ved hjælp af calixarener til at fjerne farvestoffer selektivt og effektivt fra spildevand. Deres arbejde blev for nylig offentliggjort i Journal of the American Chemical Society og dukkede op som en forsideartikel.

Calixarener er skålformede organiske molekyler, der består af definerede hydrofobe hulrum. Denne unikke funktion tillader vært-gæstekemi, hvor calixarener spiller værten for små molekyler og/eller ioner.

"Calixarene-molekyler er i vid udstrækning blevet udnyttet som alsidige supramolekylære byggesten, " forklarede Dr. Shetty. "Dette skyldes deres evne til at antage forskellige konformationer, som refererer til det rumlige arrangement af atomer i et molekyle, og den relative lethed, hvormed de kan funktionaliseres, som refererer til, hvor let en calixarene kan påtage sig nye funktioner, funktioner, kapaciteter, eller egenskaber ved at ændre dens overfladekemi."

Dette gælder især for calix[4]arenes, hvor ringen består af fire aromatiske ringe. Calixarener fungerer som fremragende adsorbere, men i monomer form, de kan opløses i nogle opløsningsmidler, hvilket ville hindre deres praktiske anvendelse.

I en makroskopisk arkitektur, imidlertid, calixarener bliver uopløselige i næsten alle opløsningsmidler, især i vand.

For at skabe calixarener med en makroskopisk arkitektur, Dr. Shetty og hans team vendte sig mod kovalente organiske rammer, eller COF'er. COF'er er en klasse af materialer, der danner to- eller tredimensionelle strukturer gennem reaktioner mellem deres organiske komponenter, resulterer i stærke, kovalente bindinger, der skaber porøse, krystallinske materialer.

"COF'er har vist sig at være en vigtig klasse af porøse materialer på grund af deres veldefinerede strukturer, indstillelig porefunktionalitet, og god kemisk stabilitet, " forklarede Dr. Shetty.

At give calixarenes en makroskopisk arkitektur er meget udfordrende, men hvis det lykkes, kan det tillade dem at blive inkorporeret i praktiske platforme såsom pulver i patroner eller membraner.

Mens få forskere har forsøgt at bygge COF'er med flere ringede, eller makrocykliske molekyler, ligesom calixarener, Dr. Shettys team indså, at en calixaren-baseret COF ville være en ideel måde at fjerne giftige farvestoffer fra industrielt spildevand.

Dr. Shetty, sammen med Trabolsi forskningsgruppe ved NYUAD, udviklede de første vævede strukturer af calixaren-baserede COF'er, lave et 2D-netværk, der kan finjusteres til hver applikation. De forenede calix[4]arenes ved at skabe kovalente bindinger mellem de organiske molekyler for at binde dem sammen, så blev disse calixarene kæder sammenvævet ved at sætte en calixaren ind i skålformen af ​​en anden, effektivt at stable kæderne.

De syntetiserede COF'er viste veldefinerede gitterstrukturer, hvilket indikerer en meget krystallinsk natur for begge COF'er, med masser af porer til adsorptionsapplikationer. Ved at variere koncentrationen af ​​calixarenenheder i opløsningen, stablingsorienteringen i COF'erne kan ændres, hvilket betyder, at forskere kan skabe både interpenetrerede (hvilket betyder kædede) og ikke-interpenetrerede rammer. De resulterende COF'er indeholdt bølgede lag indeholdende calixarene-hulrummene, gør dem attraktive kandidater til at adsorbere små molekyler.

Forskerne validerede materialernes evne ved at bruge dem til selektiv fjernelse af kationiske farvestoffer fra vandige blandinger.

Vigtigt, at skabe en struktur med organiserede porer øger antallet af molekylære interaktioner mellem forurenende molekyler og adsorbent. Interessant nok, COF'erne udviklet af forskerholdet var usædvanligt selektive for de kationiske farvestoffer i testblandingerne uden at være afhængige af molekylernes størrelse. COF'erne viste også en meget negativ overfladeladning, tillader ladningsselektiv fjernelse af farvestofmolekylerne.

"Med det iboende hydrofobe hulrum, anionisk overflade, og mulighed for at udvikle disse COF'er i en membran, vores arbejde har potentialet til at bringe calixarene kemi til en spændende materialevidenskabelig horisont, " sagde Dr. Shetty.