Het beheersen van verontreinigingen in nanoporiën is veelbelovend wegens ontzilting, koolstofdioxide -opslag en poreuze katalysatoren

Natuurlijke en ontwikkelde systemen hebben een hele wereld van chemie in hun kleine poriën – bekend als nanoporiën – die verandert afhankelijk van de chemische functionele groepen binnen.

Een team van chemische ingenieurs en materiaalwetenschappers van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis heeft een manier gevonden om verontreinigingen in nanoporiën precies te besturen die uiteindelijk de ontziltingstechnieken zouden ten goede komen die worden gebruikt bij de waterbehandeling; Koolstofdioxide -opslag; en poreuze katalysatoren die worden gebruikt in andere productieprocessen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek ACS -toegepaste materialen en interfaces.

Young-Shin Jun, een professor in energie, milieu- en chemische engineering, en Srikanth Singamaneni, de Lilyan & E. Lisle Hughes hoogleraar aan de afdeling Werktuigbouwkunde en Materialenwetenschappen, en hun teams hebben resultaten van onderzoek gepubliceerd die licht werpt op de manier waarop chemische functionele groepen de concentratie van Imen en PH-nanoporen beïnvloeden.

Het laboratorium van Singamaneni creëerde een plasmonische nanosensor om concentraties van protonen en ionenverontreinigingen in nanoporiën te meten. De nanosensor gaf informatie over ion-nanopore interacties die de onderzoekers vertelt hoe bepaalde verontreinigingen precies en selectief worden gecontroleerd.

“Het leren van de lokale concentraties van voorloperionen, zoals protonen, anionen en kationen, in verschillend gefunctionaliseerde nanoporiën kan ons begrip van cruciale katalytische reacties in die nanoporiën verbeteren, waardoor meer nauwkeurige controle in porne -engineering mogelijk is,” zei Jun.

Het is een voortzetting van hun werk gepubliceerd in 2022 in Chem Dat bleek dat in oplossingen met een hoger zoutgehalte de pH in nanoporiën maar liefst 100 keer zuurder kan zijn dan in de bulkoplossing.

Het team gebruikte in situ oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie (SERS) gecombineerd met een speciaal ontworpen kern-shell plasmonische nanosensor samengesteld uit een gouden nanorod en gefunctionaliseerde mesoporeuze silica om pH- en ionenconcentraties in nanopores dicht bij het gouden nanorodeloppervlak te meten. Ze onderzochten binnen gefunctionaliseerde nanoporiën op verschillende anionen, waaronder fosfaat, nitraat, sulfaat en arsenaat, en kationen, waaronder kwik, lood en koper – alle kritische waterbestanddelen of verontreinigingen.

Ze vergeleken hun concentraties in de nanoporiën met die in bulkconcentraties. In ongerepte of hydrofobe nanoporiën vonden ze onverwacht verbeterde anionconcentratie en onderdrukten ze de kationconcentratie vergeleken met bulkconcentraties. In hydrofiele nanoporiën, zoals die in amine, thiol en carboxyl, ontdekten ze echter dat de pH afhankelijk was van de zuurstoffen van chemische functionele groepen, en de concentraties met zware metaal die sterk worden beïnvloed door de sterkte van chemische interacties met de functionele groepen.

“Het integreren van gefunctionaliseerde poreuze materialen met plasmonische nanosensoren is een universele en krachtige benadering om de ongebruikelijke fysische, chemische en biologische eigenschappen van nanoporeuze materialen te begrijpen,” zei Singamaneni. “Dit werk stelt een methode vast die gemakkelijk kan worden uitgebreid tot andere poreuze materialen.”

“Deze bevinding zal ons helpen bepalen hoe materialen kunnen worden gemaakt die op een bredere schaal kunnen worden gebruikt,” zei Jun. “Door nanopore chemie te begrijpen, kunnen we betere materialen ontwerpen en de reacties begrijpen die plaatsvinden in de kleine maar kritische wereld van nanoporiën.

“Interessant is dat veel opwindende reacties plaatsvinden in gebieden die niet direct zichtbaar zijn en verborgen blijven. De pH, chemische soorten en hun concentraties in deze reacties verschillen vaak van die in de bulkoplossing. Dit nieuwe inzicht helpt ons om onverwachte reacties binnen nanoporeuze systemen te begrijpen.”