Ny metode til at skabe monomodal, mesoporøse metaloxider

Et team af UConn-kemikere har opdaget en ny måde at fremstille en klasse af porøse materialer på, der giver mulighed for større produktionskontrol og har betydeligt bredere anvendelser end den mangeårige industristandard.

Processen, mere end tre år undervejs og skitseret i december 2013-udgaven af Naturkommunikation , har resulteret i oprettelsen af ​​mere end 60 nye materialefamilier indtil videre, med potentiale til mange flere. Nøglekatalysatoren i processen er genanvendelig, gør det til en 'grøn' teknologi.

Fire patentansøgninger relateret til opdagelsen er under behandling. VeruTEK, en kemisk innovationsvirksomhed baseret i South Windsor, Forbindelse, har sikret sig rettigheder til nogle af materialerne.

"Dette er absolut det mest spændende projekt, jeg har været involveret i gennem de sidste 30 år, " siger bestyrelsen, ærede professor Steven L. Suib, projektets hovedefterforsker. "Det, vi har gjort, svarer til at opdage et nyt insekt, først nu er der en række familier af disse ting, der kan opdages. Det er ret fedt."

Forskningen er det første større arbejde, der kommer ud af universitetets nye GEMS Center of Excellence. Centeret, som har fået sit navn fra akronymet Green Emulsions, Miceller og overfladeaktive stoffer, er placeret i Institut for Kemi i College of Liberal Arts and Sciences.

Suibs forskning involverer skabelsen af ​​uniformer, eller monomodal, mesoporøse metaloxider ved hjælp af overgangsmetaller som mangan, kobolt, og jern. Mesoporous beskriver størrelsen af ​​porerne i materialet. I dette tilfælde, de er mellem 2 og 50 nanometer i diameter og er jævnt fordelt over materialets overflade, svarende til, hvad man kan se, hvis en nål bruges til at stikke adskillige huller i et materiale. Kun UConn-processen tillader videnskabsmænd at bruge nitrogenoxidkemi til at ændre diameteren af ​​"stiften, " for at ændre størrelsen på hullerne. Denne unikke tilgang hjælper med at indeholde kemiske reaktioner og giver hidtil uset kontrol og fleksibilitet.

"Professor Suib og hans kolleger rapporterer om en uventet og ny vej til generering af mesoporøse metaloxider, " siger Prabir Dutta, anerkendt universitetsprofessor i kemi og biokemi ved Ohio State University. "Professor Suibs opdagelse og udvidelsen af ​​mesoporositet til et meget bredere udvalg af metaloxider er bundet til at skubbe dette område til nye højder, med alle mulige mulige applikationer, gør dette studie til en meget vigtig udvikling inden for materialevidenskab."

At have materialer med ensartede mikroskopiske porer gør det muligt for målrettede molekyler af en bestemt størrelse at strømme ind og ud af materialet, hvilket er vigtigt i sådanne applikationer som adsorption, sensorer, optik, magnetiske, og energiprodukter såsom de katalysatorer, der findes i brændselsceller.

"Når folk tænker på disse materialer, de tænker på låse-og-nøgle-systemer, " siger Suib. "Med visse enzymer, du skal have porer af en vis størrelse og form. Med denne proces, du kan nu lave en beholder til specifikke proteiner eller enzymer, så de kan trænge ind i porerne og specifikt binde og reagere. Det er håbet, at være i stand til at lave en pore, der gør det muligt for sådanne materialer at passe, at være i stand til at lave en pore, som en videnskabsmand har brug for."

I de sidste 20 år, videnskabsmænd har stolet på en langvarig, vandbaseret procedure til fremstilling af mesoporøse materialer, som først blev udviklet af Mobil Oil. Den procedure, selvom det var banebrydende, da det blev opdaget, har begrænsninger. Størrelsen af ​​porerne i materialet er svær at manipulere; væggene i de resulterende mesoporøse strukturer er amorfe; og stabiliteten af ​​det underliggende system svækkes, når det udsættes for høj varme, begrænser dets brug. Processen fungerer også kun bedst, når du bruger silicium eller titanium, i modsætning til andre metaller i det periodiske system.

UConns kemikere tog en anden vej, vælger at erstatte den vandbaserede proces med et syntetisk kemisk overfladeaktivt stof svarende til et vaskemiddel for at skabe mesoporerne. Ved at reducere brugen af ​​vand, tilsætning af det overfladeaktive middel, derefter udsætte de resulterende nanopartikler for varme, forskerholdet fandt ud af, at det kunne generere termisk kontrollerede, termisk stabil, ensartede mesoporøse materialer med meget stærke krystallinske vægge. Mesoporerne, Suib siger, skabes af de huller, der dannes mellem de organiserede nanopartikler, når de klynger sig sammen. Holdet fandt ud af, at størrelsen af ​​disse huller eller porer kunne skræddersyes – øges eller formindskes – ved at justere nanostrukturens eksponering for varme, et stort fremskridt i synteseprocessen.

"En sådan kontrol af porestørrelsesfordeling, øget porevolumen, og termisk stabilitet er hidtil uset …, " skrev holdet i sin rapport.

Måske lige så vigtigt, holdet fandt ud af, at processen med succes kunne anvendes på en lang række elementer i det periodiske system. Også, det overfladeaktive stof, der anvendes i syntesen, er genanvendeligt og kan genbruges, efter at det er ekstraheret, uden at det skader slutproduktet.

Er klar over betydningen af ​​dens resultater, Suibs team ventede bevidst med at offentliggøre sin rapport, indtil det havde verificeret forskellige applikationer ved hjælp af en række periodiske elementer. Selv nu, holdet mener, at det kun har ridset overfladen.

"Vi udviklede mere end 60 familier af materialer, " siger Suib. "For hvert eneste materiale, vi lavede, du kan få snesevis af andre til at lide det. Du kan dope dem ved at tilføje små mængder urenheder. Du kan ændre deres egenskaber. Du kan lave sulfider ud over oxider. Der er meget mere forskning, der skal laves."

UConn-forskningen blev finansieret af US Department of Energy's Basic Energy Sciences division gennem en $420, 000 tilskud over tre år. Suib siger, at et bestemt medlem af forskerholdet, Altug S. Poyraz, en 'enormt talentfuld' kandidatstuderende, der forfølger sin doktorgrad ved UConn, var medvirkende til projektets succes. Poyraz brugte utallige uger på tålmodigt at udforske forskellige tilgange til processen, indtil holdet fandt succes.

"Han er virkelig en enestående studerende og sandsynligvis den bedste syntetiske kemiker, jeg nogensinde har set, " sagde Suib, der også fungerer som direktør for UConn's Institute of Materials Science.

Suib mener, at processen vil være attraktiv for industrien, fordi den er enkel, omkostningseffektiv, og grøn.