Manier, vorm en vorm: Synthese-omstandigheden definiëren de nanostructuur van mangaandioxide

Versnelling van de chemische reactie door β-MnO₂ katalysator in de nanospace van de deeltjes. Credit: Keiko Kamata, Tokyo Institute of Technology

Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology verkennen een nieuwe en simplistische methode om mangaandioxide te synthetiseren met een specifieke kristallijne structuur genaamd β-MnO₂. Hun studie werpt licht op hoe verschillende synthesecondities mangaandioxide kunnen produceren met verschillende poreuze structuren, wat duidt op een strategie voor de ontwikkeling van sterk afgestemde MnO₂ nanomaterialen die als katalysator kunnen dienen bij de fabricage van bioplastics.

Materiaalkunde is zo ver gevorderd dat we ons niet alleen zorgen maken over de chemische samenstelling van een materiaal, maar ook over de structuur ervan op nanometrisch niveau. Nanogestructureerde materialen hebben recentelijk de aandacht van onderzoekers uit verschillende vakgebieden getrokken, en terecht. hun fysieke, optische en elektrische kenmerken kunnen worden afgestemd en tot het uiterste worden opgedreven zodra er methoden beschikbaar zijn om hun nanostructuur aan te passen.

Mangaandioxide (chemische formule MnO₂) nanogestructureerd metaaloxide dat veel verschillende kristallijne structuren kan vormen, met toepassingen op verschillende technische gebieden. Een belangrijk gebruik van MnO₂ is als katalysator voor chemische reacties, en een bijzondere kristallijne structuur van MnO₂, genaamd β-MnO₂, is uitzonderlijk voor de oxidatie van 5-hydroxymethylfurfural in 2,5-furandicarbonzuur (FDCA). Omdat FDCA kan worden gebruikt om milieuvriendelijke bioplastics te produceren en manieren te vinden om de nanostructuur van β-MnO af te stemmen₂ het maximaliseren van de katalytische prestaties is cruciaal.

Het produceert echter β-MnO₂ is moeilijk vergeleken met andere MnO₂ kristallijne structuren. Bestaande methoden zijn gecompliceerd en omvatten het gebruik van sjabloonmaterialen waarop β-MnO₂ ‘groeit’ en krijgt na meerdere stappen de gewenste structuur. Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology onder leiding van prof. Keigo Kamata verkennen nu een sjabloonvrije benadering voor de synthese van verschillende soorten poreuze β-MnO₂ nanodeeltjes.

-Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology verkennen een nieuwe en simplistische methode om mangaandioxide te synthetiseren met een specifieke kristallijne structuur genaamd β-MnO₂. Hun studie werpt licht op hoe verschillende synthesecondities mangaandioxide kunnen produceren met verschillende poreuze structuren, wat duidt op een strategie voor de ontwikkeling van sterk afgestemde MnO₂ nanomaterialen die als katalysator kunnen dienen bij de fabricage van bioplastics. Credit: Keigo Kamata, Tokyo Institute of Technology

Hun methode, beschreven in hun studie gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces, is buitengewoon eenvoudig en handig. Ten eerste worden Mn-voorlopers verkregen door waterige oplossingen te mengen en de vaste stof te laten neerslaan. Na filtratie en drogen worden de verzamelde vaste stoffen in een normale luchtatmosfeer aan een temperatuur van 400 ° C onderworpen, een proces dat bekend staat als calcineren. Tijdens deze stap kristalliseert het materiaal uit en het achteraf verkregen zwarte poeder is voor meer dan 97% poreus β-MnO₂.

Met name vonden de onderzoekers deze poreuze β-MnO₂ veel efficiënter te zijn als katalysator voor het synthetiseren van FDCA dan de β-MnO₂ geproduceerd met een meer wijdverbreide benadering, de ‘hydrothermale methode’. Om te begrijpen waarom, analyseerden ze de chemische, microscopische en spectrale kenmerken van β-MnO₂ nanodeeltjes geproduceerd onder verschillende synthese-omstandigheden.

Ze ontdekten dat β-MnO₂ kan opvallend verschillende morfologieën aannemen volgens bepaalde parameters. Door met name de zuurgraad (pH) van de oplossing waarin de voorlopers worden gemengd aan te passen, wordt β-MnO₂ er kunnen nanodeeltjes met grote bolvormige poriën worden verkregen. Deze poreuze structuur heeft een groter oppervlak, wat zorgt voor betere katalytische prestaties. Opgewonden over de resultaten merkt Kamata op: “Onze poreuze β-MnO₂ nanodeeltjes zouden de oxidatie van HMF in FDCA efficiënt kunnen katalyseren, in scherp contrast met β-MnO₂ nanodeeltjes verkregen via de hydrothermale methode. Verdere fijnregeling van de kristalliniteit en / of poreuze structuur van β-MnO₂ zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nog efficiëntere oxidatieve reacties. “

Bovendien heeft deze studie veel inzicht gegeven in hoe poreuze en tunnelstructuren worden gevormd in MnO₂, wat de sleutel zou kunnen zijn voor het uitbreiden van zijn toepassingen, zoals Kamata stelt: “Onze aanpak, die de transformatie van Mn-precursoren in MnO inhoudt₂ niet in de vloeibare fase (hydrothermische methode) maar onder een luchtatmosfeer, is een veelbelovende strategie voor de synthese van verschillende MnO₂ nanodeeltjes met tunnelstructuren. Deze zouden kunnen worden gebruikt als veelzijdige functionele materialen voor katalysatoren, chemische sensoren, lithium-ionbatterijen en supercondensatoren. “Verdere studies zoals deze zullen ons hopelijk in staat stellen om op een dag het volledige potentieel te benutten dat nanogestructureerde materialen te bieden hebben.