Rekordbrydende kemisk reaktivitet med svamp i nanometerskala

Katalysatorer er ofte faste materialer, hvis overflade kommer i kontakt med gasser eller væsker, hvilket muliggør visse kemiske reaktioner. Dette betyder imidlertid, at alle atomer i katalysatoren, der ikke er på overfladen, ikke tjener noget egentligt formål. Derfor er det vigtigt at fremstille ekstremt porøse materialer med et så stort overfladeareal som muligt pr. gram katalysatormateriale.

Forskere ved TU Wien (Wien) har sammen med andre forskergrupper nu udviklet en ny metode til at fremstille højaktive svampelignende strukturer med porøsitet på nanometerskalaen. Det afgørende gennembrud blev opnået gennem en to-trins proces:der bruges metal-organiske rammer (MOF'er), som allerede indeholder mange bittesmå huller. Derefter skabes en anden slags huller - disse kunstige huller tjener som en højhastighedsbane for molekyler. Dette gjorde det muligt at slå tidligere aktivitetsrekorder i spaltningen af ​​vand til brint og ilt. Resultaterne er nu publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

En svamp på nanometerskalaen

"Metal-organiske rammer er en spændende klasse af multifunktionelle materialer," siger Shaghayegh Naghdi, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. "De er sammensat af bittesmå metal-iltklynger, der er forbundet med små organiske molekyler til meget porøse hybridnetværk. Udenfor ser vi et solidt materiale, men på nanoskalaen har det en masse åben plads, der tilbyder de største kendte specifikke overfladearealer på op til 7000 m ² gram."

Disse karakteristika roser MOF'er til brug i gasseparation og -lagring, vandrensning og lægemiddellevering. Derudover gør molekylære forbindelsers nærhed på atomare skala med særskilte kemiske, elektroniske og optiske egenskaber dem også lovende kandidater til foto- og elektrokatalyse.

"Hidtil har det største problem været, at diameteren af ​​de indre porer er for lille til en effektiv katalytisk omsætning," siger professor Dominik Eder. "Vi taler om meget lange og ekstremt små porer på 0,5 til 1 nm i diameter, hvilket er omtrent på størrelse med mange små molekyler. Det tager noget tid for reaktantmolekyler at nå de aktive steder inde i MOF'erne, hvilket bremser katalytikummet. reaktion betydeligt."

For at overvinde denne begrænsning udviklede gruppen en metode, der udnytter MOF'ernes strukturelle fleksibilitet. "Vi inkorporerede to strukturelt ens, men kemisk forskellige organiske linkere for at skabe rammer med blandet ligand," forklarer Dr. Alexey Cherevan.

"På grund af den forskellige termiske stabilitet af de to ligander, var vi i stand til at fjerne en af ​​liganderne på en meget selektiv måde gennem en proces kaldet termolyse," siger Shaghayegh Naghdi. På den måde kan der tilføjes yderligere slags porer med en diameter på op til 10 nanometer. Materialets originale nanoporer er suppleret med indbyrdes forbundne "fraktur-type" porer, som kan fungere som en højhastighedsforbindelse for molekyler gennem materialet.

Seks gange så reaktivt

Gruppen på IMC har slået sig sammen med kolleger fra universitetet i Wien og Technion i Israel og brugt et væld af banebrydende eksperimentelle og teoretiske teknikker til fuldt ud at karakterisere de nye materialer, som også blev testet for fotokatalytisk H_{2 udvikling. Indførelsen af ​​porer af brudtypen kunne øge den katalytiske aktivitet med seks gange, hvilket placerer disse MOF'er i top blandt de i øjeblikket bedste fotokatalysatorer til brintproduktion.}

The greatest benefits introducing larger pores are expected in liquid-phase applications, particularly involving the adsorption, storage and conversion or larger molecules, such as for example in the fields of drug delivery and wastewater treatment.

This new process also provides additional benefits for photo/electrocatalytic applications:"The selective removal of ligands introduces unsaturated metal sites that can serve as additional catalytic reaction centers or adsorption sites. We expect that these sites will affect the reaction mechanism and thus the product selectivity of more complex catalytic processes," explains Prof. Eder. The team is currently testing this hypothesis with MOFs for the photocatalytic conversion of CO₂ into sustainable fuels and commodity chemicals. There is also an interest from the chemical industry in these catalysts for aiding a potential replacement of energy-demanding thermal catalytic processes with greener photocatalytic processes at low temperatures and ambient conditions.

The new method is highly versatile and can be applied to a variety of MOF structures and applications. "Since we currently know of about 99.000 synthesized MOFs and MOF-type structures," says Shaghayegh Naghdi, "there is actually a lot of work waiting for us in the future." + Udforsk yderligere

Adding a polymer stabilizes collapsing metal-organic frameworks