Nowa konkurencja dla MF: Naukowcy tworzą silniejsze COF

Anonim

Puste struktury molekularne znane jako COF (kowalencyjne struktury organiczne), które mogą służyć jako selektywne filtry lub pojemniki dla innych substancji i mają wiele innych potencjalnych zastosowań, również cierpią z powodu wrodzonego problemu: Trudno jest utrzymać sieć COF połączonych w trudnych warunkach środowiska chemiczne.

Konwencjonalna chemia do łączenia bloków budulcowych w dwuwymiarowe arkusze COF lub trójwymiarowe struktury COF jest odwracalna. Ta odwracalność powoduje, że połączenia w ramach COF są słabe i niestabilne w niektórych środowiskach chemicznych, ograniczając praktyczne zastosowania tych materiałów COF.

Zespół z Laboratorium Krajowym Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) w Laboratorium Energetyki w Kalifornii wykorzystał proces chemiczny odkryty kilkadziesiąt lat temu, aby powiązania między COF-ami stały się o wiele bardziej stabilne, i nadanie COF-owi nowych cech, które mogłyby rozszerzyć ich zastosowania.

"To jak" splatanie "i spawanie", powiedział Yi Liu, pracownik naukowy w Molecular Foundry Berkeley Lab. Liu poprowadził zespół, który odkrył, jak wzmocnić najsłabsze ogniwa wiążące COF.

To proste, chemiczne podejście nakierowuje reakcję chemiczną na obszar tych słabych ogniw, tworząc sprężyste wiązania, które, jak się wykazano, utrzymują się podczas eksperymentów jak silne spawanie w trudnych warunkach chemicznych.

Ustalenia zespołu zostały szczegółowo opisane w pracy, o której donosi wtorek w czasopiśmie Nature Communications, która szczegółowo opisuje sposób działania tej techniki.

"Tutaj pokazujemy, że obligacje te są wyjątkowo stabilne dla różnych chemikaliów, próbowaliśmy surowych warunków i nadal podtrzymujemy te więzi" - powiedział Liu. "To bije wszystko, co opisano w literaturze".

Jak zauważył, przemiana chemiczna sprawia, że ​​wiązania między COF są bardziej użyteczne, na przykład poprzez zmianę ich właściwości elektronicznych i optycznych (opartych na świetle). "Po reakcji mogą łatwiej przenosić elektrony", powiedział, tak że 2-D warstwy tych silnie związanych COF zachowują się bardziej jak grafen, inny egzotyczny materiał 2-D, który wykazuje specjalne właściwości elektroniczne i optyczne.

Xinle Li, doktor habilitowany w Odlewni Molekularnej i główny autor badania, powiedział: "Po raz pierwszy daliśmy temu procesowi reakcję, opisanemu po raz pierwszy w latach 60. XX w. Zastosowaliśmy go po raz pierwszy do COF".

COF były intensywnie badane, ponieważ są wysoce przestrajalne i mogą składać się wyłącznie z lekkich pierwiastków, takich jak węgiel, wodór, azot i tlen - w przeciwieństwie do struktur znanych jako MOF (metaloorganiczne struktury szkieletowe), które zawierają cięższe pierwiastki. Naukowcy mogą wytwarzać COF o różnych rozmiarach porów, które mogą wpływać na ich funkcje, zmieniać to, co może przejść przez nie lub co może być zawarte w tych porach.

Może to spowodować, że materiały oparte na COF będą przydatne w systemach, które filtrują niechciane chemikalia z wody, na przykład, redukują dwutlenek węgla do innych form chemicznych o wartości dodanej lub służą jako wysoce wydajne czynniki ułatwiające inne rodzaje procesów chemicznych.

Ważnym aspektem badania było wykorzystanie zaawansowanych technik obrazowania, takich jak transmisyjna mikroskopia elektronowa o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) w Odlewni Molekularnej, aby zobaczyć strukturę powiązanych COF, powiedział Liu i Li.

Naukowcy stwierdzili, że uzyskane obrazy, które wyraźnie pokazują podobną do plastra miodu sieć dwuskładnikowych COF, należą do najlepszych zdjęć dotychczasowych COF, potwierdzając zmiany chemiczne w COF aż do ułamka nanometra (nanometr to 1 miliard metra).

"Przed i po reakcji, wielkość porów zmienia się o około 0, 3 nanometra, powiedział Liu." Widać te różnice przed i po reakcji. "

Aby przeprowadzić reakcję modyfikacji chemicznej, badacze umieścili COF w roztworze płynnym, który został podgrzany do około 230 stopni Fahrenheita, a następnie wymieszano.

Naukowcy stwierdzili, że powinno być możliwe zwiększenie ilości materiałów opartych na COF, a zespół eksperymentował już z użyciem arkuszy COF z innymi warstwami materiału w celu dostosowania funkcji połączonego materiału.

Zespół planuje przetestować, jak lepiej zautomatyzować produkcję tych materiałów COF, a także będzie dążył do usprawnienia procesu reakcji. Zespół zbada teorie, które pomogą zrozumieć i ulepszyć chemię zmieniającą COF.

"Chcemy, aby proces modyfikacji chemicznej był jeszcze szybszy i lepszy" - powiedział Li. "Mamy nadzieję, że uda nam się złagodzić warunki reakcji i jeszcze bardziej zwiększyć stabilność chemiczną i funkcjonalność COF".

Praca zespołu jest jednym z pierwszych opublikowanych wysiłków nowego programu w Odlewni Molekularnej mającego na celu rozwój "kombinatorycznej nanonauki", która koncentruje się na wykorzystaniu procesów o wysokiej przepustowości, w połączeniu z technologią teorii i obrazowania, do tworzenia i badania nanostruktur, które są komponentami. w nowych materiałach o ulepszonych właściwościach.

menu
menu