Forvandling af fiskeaffald til kulstofbaseret kvalitetsnanomateriale

Takket være deres lave toksicitet, kemiske stabilitet og bemærkelsesværdige elektriske og optiske egenskaber finder kulstofbaserede nanomaterialer flere og flere anvendelser på tværs af elektronik, energikonvertering og -lagring, katalyse og biomedicin. Carbon nano-løg (CNO'er) er bestemt ingen undtagelse. Først rapporteret i 1980, CNO'er er nanostrukturer sammensat af koncentriske skaller af fullerener, der ligner bure i bure. De tilbyder flere attraktive kvaliteter såsom et stort overfladeareal og store elektriske og termiske ledningsevner.

Desværre har de konventionelle metoder til fremstilling af CNO'er nogle alvorlige ulemper. Nogle kræver barske synteseforhold, såsom høje temperaturer eller vakuum, mens andre kræver meget tid og energi. Nogle teknikker kan omgå disse begrænsninger, men kræver i stedet komplekse katalysatorer, dyre kulstofkilder eller farlige sure eller basiske forhold. Dette begrænser i høj grad potentialet for CNO'er.

Heldigvis er ikke alt håb ude. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Green Chemistry , fandt et team af forskere fra Nagoya Institute of Technology i Japan en enkel og bekvem måde at forvandle fiskeaffald til CNO'er af ekstrem høj kvalitet. Holdet, som omfattede adjunkt Yunzi Xin, kandidatstuderende Kai Odachi og lektor Takashi Shirai, udviklede en synteserute, hvor fiskeskæl, der udvindes fra fiskeaffald efter rensning, omdannes til CNO'er på få sekunder gennem mikrobølgepyrolyse.

Men hvordan kan fiskeskæl så let omdannes til CNO'er? Selvom den nøjagtige årsag ikke er helt klar, mener holdet, at det har at gøre med kollagenet i fiskeskæl, som kan absorbere nok mikrobølgestråling til at producere en hurtig temperaturstigning. Dette fører til termisk nedbrydning eller "pyrolyse", som producerer visse gasser, der understøtter samlingen af ​​CNO'er. Det bemærkelsesværdige ved denne tilgang er, at den ikke har brug for komplekse katalysatorer, barske forhold eller længere ventetider; fiskeskællene kan omdannes til CNO'er på mindre end 10 sekunder!

Desuden giver denne synteseproces CNO'er med meget høj krystallinitet. Dette er bemærkelsesværdigt svært at opnå i processer, der bruger biomasseaffald som udgangsmateriale. Derudover er overfladen af ​​CNO'erne under syntese selektivt og grundigt funktionaliseret med (-COOH) og (-OH) grupper. Dette er i skarp kontrast til overfladen af ​​CNO'er, der er fremstillet med konventionelle metoder, som typisk er blottet og skal funktionaliseres gennem yderligere trin.

Denne "automatiske" funktionalisering har vigtige implikationer for applikationer af CNO'er. Når CNO-overfladen ikke er funktionaliseret, har nanostrukturerne en tendens til at hænge sammen på grund af en attraktiv interaktion kendt som pi-pi-stabling. Dette gør det vanskeligt at sprede dem i opløsningsmidler, hvilket er nødvendigt i enhver applikation, der kræver opløsningsbaserede processer. Men da den foreslåede synteseproces producerer funktionaliserede CNO'er, giver den mulighed for en fremragende dispergerbarhed i forskellige opløsningsmidler.

Endnu en fordel forbundet med funktionalisering og den høje krystallinitet er den af ​​exceptionelle optiske egenskaber. Dr. Shirai forklarer, at "CNO'erne udviser ultra-lys emission af synligt lys med en effektivitet (eller kvanteudbytte) på 40%. Denne værdi, som aldrig er blevet opnået før, er omkring 10 gange højere end den for tidligere rapporterede CNO'er syntetiseret. via konventionelle metoder."

For at vise nogle af de mange praktiske anvendelser af deres CNO'er demonstrerede holdet deres brug i LED'er og blåt lys-emitterende tynde film. CNO'erne producerede en meget stabil emission, både inde i faste enheder og når de blev spredt i forskellige opløsningsmidler, herunder vand, ethanol og isopropanol. "De stabile optiske egenskaber kunne gøre os i stand til at fremstille store emissive fleksible film og LED-enheder," spekulerer Dr. Shirai. "Disse resultater vil åbne nye veje for udviklingen af ​​næste generations skærme og solid-state belysning."

Ydermere er den foreslåede synteseteknik miljøvenlig og giver en ligetil måde at omdanne fiskeaffald til uendeligt mere brugbare materialer. Teamet mener, at deres arbejde vil bidrage til opfyldelsen af ​​flere af FN's bæredygtige udviklingsmål. Derudover, hvis CNO'er finder vej til næste generation af LED-belysning og QLED-skærme, kan de i høj grad hjælpe med at reducere deres produktionsomkostninger. + Udforsk yderligere

Mod højkvalitets manganoxidkatalysatorer med store overfladearealer