Accelerazione della reazione chimica di β-MnO 2 catalizzatore nel nanospazio delle particelle. Credito:Keiko Kamata, Istituto di tecnologia di Tokyo
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology esplorano un metodo nuovo e semplicistico per sintetizzare il biossido di manganese con una specifica struttura cristallina chiamata β-MnO 2 . Il loro studio fa luce su come diverse condizioni di sintesi possono produrre biossido di manganese con strutture porose distinte, suggerendo una strategia per lo sviluppo di MnO . altamente sintonizzati 2 nanomateriali che potrebbero fungere da catalizzatori nella fabbricazione di bioplastiche.
L'ingegneria dei materiali è arrivata a un punto in cui non solo ci preoccupiamo della composizione chimica di un materiale, ma anche sulla sua struttura a livello nanometrico. I materiali nanostrutturati hanno recentemente attirato l'attenzione di ricercatori provenienti da una varietà di campi e per buoni motivi; il loro fisico, ottico, e le caratteristiche elettriche possono essere messe a punto e spinte al limite una volta che saranno disponibili metodi per adattare la loro nanostruttura.
Biossido di manganese (formula chimica MnO 2 ) ossido metallico nanostrutturato che può formare molte diverse strutture cristalline, con applicazioni in vari campi dell'ingegneria. Un uso importante di MnO 2 funge da catalizzatore per reazioni chimiche, e una particolare struttura cristallina di MnO 2 , chiamato β-MnO 2 , è eccezionale per l'ossidazione del 5-idrossimetilfurfurale in 2, acido 5-furandicarbossilico (FDCA). Poiché FDCA può essere utilizzato per produrre bioplastiche rispettose dell'ambiente, trovare modi per sintonizzare la nanostruttura di -MnO 2 per massimizzare le sue prestazioni catalitiche è fondamentale.
Però, producendo β-MnO 2 è difficile rispetto ad altri MnO 2 strutture cristalline. I metodi esistenti sono complicati e comportano l'uso di materiali modello su cui -MnO 2 'cresce' e finisce con la struttura desiderata dopo diversi passaggi. Ora, i ricercatori del Tokyo Institute of Technology guidati dal Prof. Keigo Kamata esplorano un approccio privo di modelli per la sintesi di diversi tipi di β-MnO poroso 2 nanoparticelle.
-Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology esplorano un metodo nuovo e semplicistico per sintetizzare il biossido di manganese con una specifica struttura cristallina chiamata β-MnO 2 . Il loro studio fa luce su come diverse condizioni di sintesi possono produrre biossido di manganese con strutture porose distinte, suggerendo una strategia per lo sviluppo di MnO . altamente sintonizzati 2 nanomateriali che potrebbero fungere da catalizzatori nella fabbricazione di bioplastiche. Credito:Keigo Kamata, Istituto di tecnologia di Tokyo
Il loro metodo, descritto nel loro studio pubblicato in Materiali e interfacce applicati ACS , è straordinariamente semplice e conveniente. Primo, I precursori di Mn si ottengono miscelando soluzioni acquose e lasciando precipitare i solidi. Dopo la filtrazione e l'essiccazione, i solidi raccolti sono sottoposti ad una temperatura di 400°C in una normale atmosfera d'aria, un processo noto come calcinazione. Durante questo passaggio, il materiale cristallizza e la polvere nera ottenuta successivamente è porosa per oltre il 97% -MnO 2 .
Soprattutto, i ricercatori hanno trovato questo β-MnO . poroso 2 essere molto più efficiente come catalizzatore per la sintesi di FDCA rispetto al β-MnO 2 prodotto utilizzando un approccio più diffuso chiamato "metodo idrotermico". Per capire perché, hanno analizzato la sostanza chimica, microscopico, e caratteristiche spettrali del β-MnO 2 nanoparticelle prodotte in diverse condizioni di sintesi.
Hanno scoperto che β-MnO 2 può assumere morfologie marcatamente differenti secondo determinati parametri. In particolare, regolando l'acidità (pH) della soluzione in cui sono miscelati i precursori, -MnO 2 si possono ottenere nanoparticelle con grandi pori sferici. Questa struttura porosa ha una superficie maggiore, fornendo così migliori prestazioni catalitiche. Entusiasta dei risultati, Kamata osserva:"Il nostro poroso β-MnO 2 le nanoparticelle potrebbero catalizzare in modo efficiente l'ossidazione di HMF in FDCA in netto contrasto con β-MnO 2 nanoparticelle ottenute con il metodo idrotermale. Ulteriore controllo fine della cristallinità e/o della struttura porosa di β-MnO 2 potrebbe portare allo sviluppo di reazioni ossidative ancora più efficienti."
Cosa c'è di più, questo studio ha fornito molte informazioni su come si formano le strutture porose e tunnel in MnO 2 , che potrebbe essere la chiave per estendere le sue applicazioni, come afferma Kamata:"Il nostro approccio, che comporta la trasformazione dei precursori di Mn in MnO 2 non in fase liquida (metodo idrotermico) ma in atmosfera d'aria, è una strategia promettente per la sintesi di vari MnO 2 nanoparticelle con strutture a tunnel. Questi potrebbero essere applicabili come materiali funzionali versatili per catalizzatori, sensori chimici, batterie agli ioni di litio, e supercondensatori." Ulteriori studi come questo si spera ci consentiranno un giorno di sfruttare tutto il potenziale che i materiali nanostrutturati hanno da offrire.
