Jernoxidrammer med hierarkisk porestruktur fra pyrolyse af preussiske blå nanokrystaller

Adsorption, katalyse, eller substrater til vævsvækst:porøse materialer har mange potentielle anvendelser. I journalen Angewandte Chemie , et hold kinesiske og australske forskere har nu introduceret en metode til syntese af ultralette tredimensionelle (3D) jernoxidrammer med to forskellige typer nanoskopiske porer og afstembare overfladeegenskaber. Dette superparamagnetiske materiale kan skæres i vilkårlige former og er velegnet til applikationer som flerfasekatalyse og fjernelse af tungmetalioner og olie fra vand.

Materialer med hierarkisk organiserede poresystemer – hvilket betyder, at væggene i makroporer med diametre i mikrometerområdet indeholder mesoporer på blot nogle få nanometer – står højt på materialeforskernes ønskeliste. Fordelene ved disse materialer inkluderer deres høje overfladeareal og den lette adgang til de små porer gennem de større. Disse materialers store ønskelighed modsvares af sværhedsgraden ved at fremstille dem i industriel skala.

Forskere ved Fudan University (Kina) og Monash University (Australien) har nu med succes produceret en ultralet jernoxidramme med 250 µm og 18 nm porer i en proces, der kan bruges i industriel skala. Et hold ledet af Gengfeng Zheng og Dongyuan Zhao brugte meget porøse polyurethansvampe som en "matrix", som blev gennemvædet med gult kaliumhexacyanoferrat (K ₄ [Fe(CN) ₆ ]). Efterfølgende hydrolyse resulterede i kubiske nanokrystaller af preussisk blå (jernhexacyanoferrat), et mørkeblåt pigment, som blev aflejret over hele svampens overflader. Polyurethansvampen blev derefter fuldstændig brændt væk gennem pyroloyse, og den preussiske blå blev omdannet til jernoxid. Resultatet er en 3D-ramme af jernoxidterninger, der igen er lavet af jernoxidnanopartikler og indeholder mesoporer. Materialet er så let, at forskerne var i stand til at balancere en 240 cm ³ stykke på en oleanderblomst.

Simple modifikationer gør det muligt at variere overfladen af ​​3D-strukturen fra stærkt hydrofil til stærkt hydrofob til forskellige applikationer. Forskerne påviste dette ved at fjerne arsen-ioner fra forurenet vand og ved at adskille vand fra benzin. I sidstnævnte eksperiment, den resolbelagte jernoxidramme absorberede mere end 150 gange sin egen vægt i benzin.

De resol-coatede rammer er også velegnede til brug som nanoreaktorer til katalytiske flerfasereaktioner mellem hydrofile og hydrofobe reaktanter, som normalt kun kan gøres blandbare ved tilsætning af forskellige faseoverførselsreagenser og co-opløsningsmidler. Med den resol-coatede jernoxidramme, reaktionen kører meget hurtigere og mere selektivt uden disse tilsætningsstoffer, giver høje udbytter. Dette er på grund af de afstembare hydrofile/hydrofobe overflader af mesoporerne, som optager begge reagenser og bringer dem i kontakt med hinanden. Katalysatoren kan hentes magnetisk, fordi jernoxidnanopartiklerne i 3D-rammerne er superparamagnetiske.