2019-02-09 16:10:02
研究人员为铝等离子体添加了多孔包层

两年前莱斯大学的化学家和工程师Hossein Robatjazi开始将一种名为MOF的分子筛与一种等离子体铝纳米粒子结合在一起时,他从没想过关键是自然界用于石化石化的过程。

本周在“科学进展”杂志上发表的一篇新论文中,Robatjazi和Rice的纳米光子学实验室(LANP)的合着者描述了假形替代,即将树木变成石头的同一化学过程,如何帮助他们合成第一种金属 - 有机骨架(MOF)围绕光动力铝纳米催化剂。

催化剂是加速化学反应而不会自身反应的材料,它们被用于制造大多数商业化生产的化学品。由于大多数工业催化剂在高温或高压或两者中都能发挥最佳作用,因此它们也会产生巨大的能量负担。 MOF和等离子铝的结合为设计使用太阳能的绿色催化剂创造了新的途径,并且由地壳中最丰富的金属制成。

在该研究中,Robatjazi,LANP主任Naomi Halas及其同事进行了原理验证,证明了在环境温度和压力下在模拟太阳光的实验室条件下反向水煤气变换反应。该反应将二氧化碳(CO2)和氢气转化为一氧化碳 - 一种用于化学制造的原料 - 和水。

“这是第一个显示你可以将MOF和铝颗粒结合起来用光来做这种反应的例子,”兰帕的研究生Robatjazi说道,该实验室开创了等离子体技术,应用于癌症诊断和治疗等多种应用, MRI造影剂和太阳能水蒸馏。

等离子体是在微小金属纳米粒子表面晃动的电子波,通过改变等离子体纳米粒子的形状和大小,LANP科学家可以调整它以与光相互作用并从光中获取能量。在之前的研究中,LANP展示了用于从氨制造清洁燃烧氢的铜纳米催化剂,以及用于制造乙烯的铝基天线反应器,乙烯是世界上最常见的塑料聚乙烯的化学原料。

哈拉斯表示,最近与MOF的合作很重要,原因有几个。

“我们已经证明,在铝纳米晶体周围生长MOF可以提高铝颗粒的光催化活性,也为我们提供了一种控制颗粒本身尺寸的新方法,也就是等离子体特性,”Halas说。 “最后,我们已经证明了相同的基本方法适用于制作不同类型的MOF。”

MOF是三维结构,当金属离子与称为接头的有机分子相互作用时,它们会自组装。结构是高度多孔的,如海绵或瑞士奶酪。只有一克MOF的表面积大于足球场,并且通过改变金属的类型,接头和反应条件,化学家可以设计具有不同结构,孔径和功能的MOF,如捕获特定分子。已经制造了20,000多种MOF。

在Robatjazi最初的实验中,他试图种植MIL-53,这是一种经过充分研究的MOF,以其二氧化碳捕集能力着称。他尝试过合成方法,这种方法有助于在金颗粒周围生长MOF,但是它们不能用于铝,Robatjazi怀疑氧化铝是罪魁祸首。

与金不同,铝与氧气具有高度反应性,每当与纳米空气接触时,每个铝纳米粒子都会立即被2至4纳米的氧化铝覆盖。

“这是无定形的,”Robatjazi说。 “它不像一个具有明确结晶度的平坦表面。它就像一条颠簸的道路,MOF晶体无法在那个表面上形成一个结构。”

在查看化学文献时,Robatjazi得到了让假形矿物替代品在制备颗粒表面以接受MOF和为MOF提供金属构建块的工作。

“我们从大自然母亲那里学到了东西,我们基本上采用相同的策略,因为氧化铝是一种矿物质,”他说。 “通常对于MOF,我们将金属离子与有机连接剂混合,在这种情况下,我们消除了金属离子,而是溶解了氧化铝,并使用来自该反应的铝离子作为我们MOF的金属成分。”

通过改变反应条件,Robatjazi发现他可以控制他蚀刻掉多少铝表面,从而控制内部等离子体粒子的最终尺寸和等离子体特性。对于MIL-53,捕获CO2的MOF,他表明,当MOF到位时,等离子体铝纳米晶体的催化活性显着增加。

最后,他证明了他可以使用相同的蚀刻方法和不同的接头,使MOF具有不同的孔径和其他性质,包括亲水性品种,使水远离铝颗粒。

“我们正在探索通过合成变异或合成后修饰来调整铝 -  MOF结构特征的途径,”Halas说。 “这种灵活性可以为扩大等离子体介导的化学反应提供一系列机会,这些化学反应对工业来说既便宜又对环境更好。”

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