Kemister kan rationellt reglera reaktiviteten hos molekyler och funktionella grupper i både industriella och laboratoriebaserade syntetiska organiska kemiska processer. Konceptet kan appliceras på oorganiska nanomaterial inklusive tvådimensionella (2-D) nanoskivor av svart fosfor (BP). Till exempel, forskare kan "stänga av" den höga reaktiviteten hos få lager eller monolager svart fosfor, när föreningen inte används, att återuppta sin verksamhet efter ansökan. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Xiao Liu och ett team av forskare inom fysik, biomaterial, kemiteknik och biologisk kemi i Kina utvecklade en skyddskemibaserad metod för att reglera reaktiviteten hos svart fosfor.

För att initiera skyddssteget, de band aluminiumkatjoner (Al ³⁺ ) med ensamma elektronpar från svart fosfor (BP) och minskade elektrondensiteten på den svarta fosforytan. De avslutade processen med ett syre/vattentåligt lager via självmontering av hydrofob (vattenhatande) 1, 2-bensenditiol (BDT) på svart fosfor/aluminium (BP/Al) ³⁺ ) konjugat. Skyddssteget gav en stabil förening med låg reaktivitet. Genom att använda en kelatorbehandlingsprocess, Liu et al. uppnådde därefter avskyddning av BP/Al ³⁺ /BDT -komplex för att ta bort aluminiumkatjoner och BDT från den svarta fosforytan. På det här sättet, de återvann elektrontätheten hos svart fosfor genom att använda den avskyddande processen för att återställa föreningens reaktivitet.

Justera egenskaperna hos nanomaterial

Liu et al. rationellt utvecklat en skyddskemibaserad metod för att kontrollera svart fosfors reaktivitet under detta arbete. Inom nanovetenskap, forskare kan justera egenskaperna hos nanomaterial exakt för att få önskade egenskaper. Att reglera reaktiviteten hos nanomaterial är avgörande för programmerbara flerstegsapplikationer. Vissa nanomaterial kan skyddas för att minska deras reaktivitet under specifika förhållanden och återställa aktiviteten efter framgångsrik avskyddning. Forskare har därför föreslagit en rad selektiva och effektiva strategier för att reglera reaktiviteten hos funktionella grupper inom organisk kemi.

Dock, de befintliga väletablerade organiska processerna för skyddande-avskyddande kan inte tillämpas på oorganiska nanomaterial på grund av brist på liknande funktionella grupper. Som ett resultat, ett effektivt och enkelt tillvägagångssätt för att kontrollera reaktiviteten hos oorganiska material återstår att utveckla. För att åstadkomma detta, teamet började binda svart fosfor med aluminiumkatjoner (Al ³⁺ ) för att minska ytelektrondensiteten och effektivt minska dess reaktivitet. Den skyddande processen producerade ett arrangemang av den hydrofoba (vattenhatande) 1, 2-benezenditiol (BDT) molekyl i närvaro av svart fosfor och Al ³⁺ katjoner för att erbjuda ett ultrastabilt komplex (BP/Al ³⁺ /BDT). Föreningen var stabil under omgivande förhållanden i upp till två månader utan förändringar. Teamet kan avskydda det instabila komplexet genom kelatorbehandling.

Syntes och karakterisering av BP/Al ³⁺ /BDT-förening

Liu et al. syntetiserade och karakteriserade (testade) bulk-svart fosfor (BP) genom att följa en tidigare utvecklad metod. Teamet erhöll först BP -nanoskikt genom att sonikera molekylens pulverform, använd sedan svepelektronmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi (TEM), de observerade storleken på BP. Högupplöst TEM gav också insikt i nanoskivans struktur och atomkraftsmikroskopi avslöjade tjockleken på BP med fyra till sex individuella lager av fosforenlager. Med hjälp av röntgendiffraktion och Raman-spektra, teamet fastställde att kristallegenskaperna hos BP liknade dess bulkform. Vid det skyddande steget av katjonisk bindning till BP-ytan, Liu et al. blandad BP med aluminiumklorid (AlCl ₃ i en etanollösning. De karakteriserade sedan den framgångsrika anknytningen till Al ³⁺ katjoner till BP-ytan för att stärka skyddet av BP genom att använda röntgenfotoelektronspektroskopi. Teamet observerade föreningens nanomorfologi och studerade ytkonformationen med hjälp av skanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) och verifierade ytterligare dess struktur med Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi och protonkärnmagnetisk resonans ( ¹ HNMR).

Liu et al. undersökte reaktiviteten hos BP/Al ³⁺ /BDT -komplex genom att använda en mängd olika optiska tekniker inom materialvetenskap för att förstå dess struktur. Motsvarande bilder visade utvecklingen av kristallstrukturen och långsiktig stabilitet under omgivande förhållanden. Stabiliteten hos BP/Al ³⁺ /BDT -komplexet var överlägset svart fosfor ensam och resultaten belyste det praktiska att bädda in svart fosfor i föreningen. Teamet krediterade den reducerade reaktiviteten hos den komplexa strukturen till två faktorer; först, aluminiumkatjonen som binder den svarta fosforytan gav lägre kemisk reaktivitet. Andra, den självmonterade hydrofoba täta arrayen på ytan av svart fosfor isolerade molekylen från syre och vatten för att förhindra ytterligare nedbrytning, förbättra föreningens stabilitet.

Avskyddande av BP/Al ³⁺ /BDT-förening

Forskargruppen avskyddade det ultrastabila komplexet genom att ta bort aluminiumkatjonen från föreningens yta. De åstadkom detta steg med en konventionell metalljonkelator - edetatnatrium (EDTA-4Na). Under processen, Liu et al. tog också bort de hydrofoba BDT-molekylerna tillsammans med aluminiumkatjoner, för att erhålla den resulterande hydrofila (vattenälskande) ytan med negativ zetapotential, liknande form till den ursprungliga svarta fosformolekylen. Den skyddande-avskyddande regleringsprocessen gjorde det möjligt för forskarna att reversibelt kontrollera reaktiviteten hos svart fosfor. Resultaten tyder på förmågan att effektivt reglera molekylens reaktivitet i praktiken.

Syn

På det här sättet, Xiao Liu, och kollegor utvecklade en ny skyddskemibaserad metod för att rationellt reglera reaktiviteten hos svart fosfor (BP). Under det skyddande steget de band aluminiumkatjoner (Al ³⁺ ) till det enda paret elektroner på BP för att minska dess yt -elektrontäthet. Detta skyddande steg förbättrade funktionaliseringen av den hydrofoba (vattenhatande) 1, 2-benezenditiol (BDT), på BP/Al ³⁺ konjugera ytan för att bilda ett tätt hydrofobt lager, vilket kraftigt reducerade reaktiviteten hos svart fosfor. Teamet använde sedan en kelator för att ta bort aluminiumkatjonerna från svart fosfor för att återställa molekylen till sin ursprungliga höga elektrondensitet, hydrofil (vattenälskande) yta. Det avskyddade BP visade hög reaktivitet i sitt ursprungliga tillstånd. Metoden gav ett inställbart tillvägagångssätt för att manipulera reaktiviteten hos BP, vilket är svårt att uppnå genom konventionell funktionalisering. Denna skyddande strategi kan utforskas för att reglera nanomaterialers reaktivitet för att skapa futuristiska programmerbara nanostrukturer för tillämpningar inom materialvetenskap.

© 2020 Science X Network