Vej, form og form:Synteseforhold definerer nanostrukturen af ​​mangandioxid

Forskere ved Tokyo Institute of Technology udforsker en ny og forenklet metode til at syntetisere mangandioxid med en specifik krystallinsk struktur kaldet β-MnO ₂ . Deres undersøgelse kaster lys over, hvordan forskellige synteseforhold kan producere mangandioxid med distinkte porøse strukturer, antydning af en strategi for udvikling af højt tunet MnO ₂ nanomaterialer, der kunne tjene som katalysatorer ved fremstilling af bioplast.

Materialeteknik er nået frem til et punkt, hvor vi ikke kun er bekymrede for den kemiske sammensætning af et materiale, men også om dens struktur på et nanometrisk niveau. Nanostrukturerede materialer har for nylig tiltrukket sig opmærksomhed fra forskere fra en række forskellige områder og med god grund; deres fysiske, optisk, og elektriske egenskaber kan indstilles og skubbes til det yderste, når metoderne til at skræddersy deres nanostruktur er tilgængelige.

Mangandioxid (kemisk formel MnO ₂ ) nanostruktureret metaloxid, der kan danne mange forskellige krystallinske strukturer, med applikationer på tværs af forskellige ingeniørområder. En vigtig anvendelse af MnO ₂ er som katalysator for kemiske reaktioner, og en særlig krystallinsk struktur af MnO ₂ , kaldet β-MnO ₂ , er exceptionel for oxidation af 5-hydroxymethylfurfural til 2, 5-furandicarboxylsyre (FDCA). Fordi FDCA kan bruges til at producere miljøvenlig bioplast, finde måder at tune nanostrukturen af ​​β-MnO ₂ at maksimere dens katalytiske ydeevne er afgørende.

Imidlertid, producerer β-MnO ₂ er vanskelig sammenlignet med andre MnO ₂ krystallinske strukturer. Eksisterende metoder er komplicerede og involverer brugen af ​​skabelonmaterialer, hvorpå β-MnO ₂ 'vokser' og ender med den ønskede struktur efter flere trin. Nu, forskere fra Tokyo Institute of Technology ledet af prof. Keigo Kamata udforsker en skabelonfri tilgang til syntese af forskellige typer af porøs β-MnO ₂ nanopartikler.

Deres metode, beskrevet i deres undersøgelse offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader , er enestående enkel og praktisk. Først, Mn-prækursorer opnås ved at blande vandige opløsninger og lade de faste stoffer udfælde. Efter filtrering og tørring, de opsamlede faste stoffer udsættes for en temperatur på 400°C i en normal luftatmosfære, en proces kendt som kalcinering. Under dette trin, materialet krystalliserer, og det sorte pulver opnået efterfølgende er mere end 97 % porøst β-MnO ₂ .

Især, forskerne fandt denne porøse β-MnO ₂ at være meget mere effektiv som en katalysator til syntetisering af FDCA end β-MnO ₂ produceret ved hjælp af en mere udbredt tilgang kaldet 'hydrotermisk metode'. For at forstå hvorfor, de analyserede kemikaliet, mikroskopisk, og spektrale karakteristika af β-MnO ₂ nanopartikler produceret under forskellige syntesebetingelser.

De fandt, at β-MnO ₂ kan antage markant forskellige morfologier i henhold til visse parametre. I særdeleshed, ved at justere surhedsgraden (pH) af opløsningen, hvori prækursorerne er blandet, β-MnO ₂ nanopartikler med store sfæriske porer kan opnås. Denne porøse struktur har et større overfladeareal, giver således bedre katalytisk ydeevne. Spændt på resultaterne, Kamata bemærker:"Vores porøse β-MnO ₂ nanopartikler kunne effektivt katalysere oxidationen af ​​HMF til FDCA i skarp kontrast til β-MnO ₂ nanopartikler opnået via den hydrotermiske metode. Yderligere finkontrol af krystalliniteten og/eller den porøse struktur af β-MnO ₂ kunne føre til udviklingen af ​​endnu mere effektive oxidative reaktioner."

Hvad mere er, denne undersøgelse gav megen indsigt i, hvordan porøse strukturer og tunnelstrukturer dannes i MnO ₂ , som kunne være nøglen til at udvide dets applikationer, som Kamata siger:"Vores tilgang, som involverer transformation af Mn-precursorer til MnO ₂ ikke i væskefasen (hydrotermisk metode), men under en luftatmosfære, er en lovende strategi for syntese af forskellige MnO ₂ nanopartikler med tunnelstrukturer. Disse kunne være anvendelige som alsidige funktionelle materialer til katalysatorer, kemiske sensorer, lithium-ion batterier, og superkondensatorer." Yderligere undersøgelser som denne vil forhåbentlig give os mulighed for en dag at udnytte det fulde potentiale, som nanostrukturerede materialer har at tilbyde.