Hybride nanomaterialer lover et bæredygtighedsløft på tværs af flere industrier

Polyoxometalat (POM)-baserede nanohybrider tilbyder potentielt en trinvis ændring i bæredygtighed på tværs af en lang række industrier, men forskning i stofferne er i sin vorden. En gruppe forskere har lavet en omfattende gennemgang af sektorens fremskridt og udfordringer, der endnu ikke er overvundet.

En ny klasse af hybridmaterialer i nanoskala har potentialet til at forbedre bæredygtighed på tværs af energisystemer, transport, biosensorer, vandrensning og endda 3D-print, men feltet er stadig meget ungt. En gruppe forskere har nu udarbejdet en detaljeret oversigt over tilstanden i polyoxometalat (POM)-baserede nanohybrider, der kortlægger en vej for forskning i dette banebrydende område af materialevidenskab.

En gennemgang af deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Polyoxometalates den 30. september.

I de seneste årtier er der opstået en ny klasse af materialer i nanoskala, eller mere simpelt nanomaterialer, hvor en enkelt enhed har dimensioner i området 1-100 nanometer. I denne skala kan materialer udvise unikke og ofte forbedrede fysiske, kemiske og biologiske egenskaber, der adskiller sig fra mere massive eller "bulk" materialer. For eksempel kan materialer i nanoskala have et højere forhold mellem overfladeareal og volumen, hvilket kan øge deres reaktivitet og evne til at katalysere (starte eller fremskynde) kemiske reaktioner.

Det måske mest kendte nanomateriale er grafen, men nanomaterialer kan bygges ud af en lang række stoffer, herunder metaller, halvledere, keramik og polymerer. For nylig har forskere også udviklet nanohybrider. Det er stoffer, der kombinerer to eller flere forskellige typer nanomaterialer.

Af særlig interesse for forskere, især dem, der sigter mod at gøre industriel produktion mere bæredygtig, er polyoxometalat (POM)-baserede nanohybrider, som har unikke katalytiske egenskaber inden for fotoelektrokemiske reaktioner - dem, der genererer elektricitet fra lys eller spalter vand til rent produceret brint og oxygen . Dette gør POM-nanohybriderne til lovende kandidater til en bred vifte af applikationer, herunder ren energikonvertering og -lagring, samt sensorer og elektronik, der ikke er afhængige af brugen af ​​snavsede energikilder.

POM'er er en meget stor klasse af billige og stabile uorganiske forbindelser, der består af metalioner, typisk overgangsmetaller som wolfram eller molybdæn, forbundet med oxygenatomer til et tredimensionelt netværk. POM'er er typisk store, komplekse molekyler, der kan have en bred vifte af former og størrelser, og de udviser en række interessante og nyttige egenskaber.

"Der har været en eksplosion af forskning i POM-nanohybrider i de sidste par år, og så vi tænkte, at det var på tide at holde pause og producere et overblik over den nuværende situation for at identificere potentielle forskningshuller og kontroverser," sagde Guangjin Zhang, tilsvarende forfatter til gennemgangspapiret og en kemiker ved Key Laboratory of Green Process and Engineering med de kinesiske videnskabsakademier.

Videnskabelige oversigtsartikler er en væsentlig del af den videnskabelige proces, der har til formål at opsummere og kritisk vurdere den nuværende viden om et bestemt emne inden for et givet videnskabsområde, vurdere kvaliteten og pålideligheden af ​​den eksisterende litteratur og foreslå fremtidige forskningsretninger.

Forfatterne af gennemgangen konkluderer i deres anmeldelse, at det, der gør POM'er så attraktive, er, hvordan de kan forbedre de fotoelektrokemiske katalytiske egenskaber af det resulterende nanohybridmateriale. Dette skyldes, at POM'er kan fungere som både elektronacceptorer og donorer, hvilket giver dem mulighed for at lette overførslen af ​​elektrisk ladning og forbedre effektiviteten af ​​de relevante reaktioner. Endnu bedre, POM'er kan også selv fungere som katalysatorer, hvilket yderligere forbedrer de katalytiske egenskaber af nanohybridmaterialet.

Gennemgangen forklarer også forskellen mellem binære og ternære POM-baserede nanohybrider, hvor førstnævnte består af to funktionelle nanoskala materialer, og sidstnævnte består af tre. De binære nanohybrider kombinerer POM og et metal, POM og en halvleder, eller POM og en nanocarbon, mens ternære nanohybrider kombinerer en POM, et metal og en nanocarbon.

Forfatterne bemærker, at binære nanohybrider er blevet grundigt undersøgt og har vist lovende resultater i en række forskellige anvendelser, herunder fotokatalyse, brændselsceller og biosensorer. Ternære nanohybrider har i mellemtiden potentialet til at kombinere de unikke egenskaber ved tre forskellige materialer, hvilket resulterer i endnu større funktionalitet og alsidighed.

Et af de mest lovende forskningsområder i POM-baserede nanohybrider af begge typer kommer fra deres brug i fotokatalyse - ved hjælp af lys til at drive kemiske reaktioner. POM-baserede nanohybrider har potentialet til at forbedre effektiviteten af ​​fotokatalytiske reaktioner, som kan have vigtige anvendelser inden for områder som solenergiomdannelse og miljøsanering. Nanohybriderne kan også nyde godt af anvendelser i brændselsceller, som er enheder, der omdanner kemisk energi til elektrisk energi, som for eksempel i brint-drevet transport. POM-baserede nanohybrider har potentialet til at forbedre brændselscelleeffektiviteten og holdbarheden.

Et andet område, der ikke er relateret til bæredygtig energi, hvor POM-baserede nanohybrider viser meget lovende, involverer deres anvendelse i biosensorer, enheder, der detekterer og måler biologiske eller kemiske stoffer i en prøve via ændringer i elektriske signaler som følge af biokemiske reaktioner. Nanohybridernes høje overfladeareal og evne til at immobilisere biomolekyler, blandt andre egenskaber, gør dem særligt velegnede til brug i sådanne enheder.

Forskere har allerede brugt POM-baserede nanohybrider til at udvikle biosensorer, der kan detektere stoffer som simazin og hydrogenperoxid med høj følsomhed. Disse biosensorer har potentiale til at blive brugt i en bred vifte af applikationer, fra medicinsk diagnostik til miljøovervågning. Andre nye applikationer omfatter vandrensning, halvledere og 3D-print.

En af de største udfordringer, forskere på dette felt står over for, er, at mens ternære POM-baserede nanohybrider tilbyder endnu mere forbedret ydeevne, er forskningen i øjeblikket stadig i sin vorden, med en mere begrænset forståelse af ternære nanohybrids egenskaber og adfærd. Deres potentielle applikationer undersøges stadig, og der kan være udfordringer relateret til udvikling og optimering af ternære nanohybrider til specifikke applikationer. For alle typer POM-nanohybrider kan opløseligheden af ​​POM-molekyler i hybriderne desuden forringe deres ydeevne som katalysatorer. Deres uensartede spredning på og i ledende stoffer forbliver også et vedvarende problem, og når de kombineres med metaller eller metaloxider, er det vanskeligt at kontrollere størrelsen og formen af ​​partiklerne.

Forfatterne hævder, at større fokus på en grundlæggende forståelse af forholdet mellem strukturen af ​​hybriderne og deres kemiske aktivitet bør hjælpe med at overvinde disse hindringer for bredere anvendelser, og opfordrer til bredere samarbejde på tværs af forskellige discipliner for at gøre det.

Flere oplysninger: Shuangshuang Zhang et al., Design og syntese af nye polyoxometalat-baserede binære og ternære nanohybrider til energiomdannelse og lagring, Polyoxometalater (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140037

Leveret af Tsinghua University Press