Acceleration av den kemiska reaktionen med β-MnO 2 katalysator i partiklarnas nanorymd. Kredit:Keiko Kamata, Tokyo Institute of Technology
Forskare vid Tokyo Institute of Technology utforskar en ny och förenklad metod för att syntetisera mangandioxid med en specifik kristallin struktur som kallas β-MnO 2 . Deras studie belyser hur olika syntesförhållanden kan producera mangandioxid med distinkta porösa strukturer, antyder en strategi för utveckling av högt avstämda MnO 2 nanomaterial som skulle kunna fungera som katalysatorer vid tillverkning av bioplast.
Materialteknik har avancerat till en punkt där vi inte bara är oroliga över den kemiska sammansättningen av ett material, men också om dess struktur på nanometrisk nivå. Nanostrukturerade material har nyligen uppmärksammats av forskare från en mängd olika områden och av goda skäl; deras fysiska, optisk, och elektriska egenskaper kan justeras och drivas till gränsen när metoder för att skräddarsy deras nanostruktur är tillgängliga.
Mangandioxid (kemisk formel MnO 2 ) nanostrukturerad metalloxid som kan bilda många olika kristallina strukturer, med tillämpningar inom olika teknikområden. En viktig användning av MnO 2 är som en katalysator för kemiska reaktioner, och en speciell kristallin struktur av MnO 2 , kallas β-MnO 2 , är exceptionell för oxidation av 5-hydroximetylfurfural till 2, 5-furandikarboxylsyra (FDCA). Eftersom FDCA kan användas för att producera miljövänlig bioplast, hitta sätt att ställa in nanostrukturen för β-MnO 2 att maximera dess katalytiska prestanda är avgörande.
Dock, producerar p-MnO 2 är svårt jämfört med andra MnO 2 kristallina strukturer. Befintliga metoder är komplicerade och involverar användning av mallmaterial på vilka β-MnO 2 "växer" och får önskad struktur efter flera steg. Nu, forskare från Tokyo Institute of Technology under ledning av prof. Keigo Kamata utforskar en mallfri metod för syntes av olika typer av porös β-MnO 2 nanopartiklar.
-Forskare vid Tokyo Institute of Technology utforskar en ny och förenklad metod för att syntetisera mangandioxid med en specifik kristallin struktur som kallas β-MnO 2 . Deras studie belyser hur olika syntesförhållanden kan producera mangandioxid med distinkta porösa strukturer, antyder en strategi för utveckling av högt avstämda MnO 2 nanomaterial som skulle kunna fungera som katalysatorer vid tillverkning av bioplast. Kredit:Keigo Kamata, Tokyo Institute of Technology
Deras metod, beskrivs i deras studie publicerad i ACS tillämpade material och gränssnitt , är enastående enkel och bekväm. Först, Mn-prekursorer erhålls genom att blanda vattenlösningar och låta de fasta ämnena fällas ut. Efter filtrering och torkning, de uppsamlade fastämnena utsätts för en temperatur på 400°C i normal luftatmosfär, en process som kallas kalcinering. Under detta steg, materialet kristalliserar och det svarta pulvret som erhålls efteråt är mer än 97 % poröst β-MnO 2 .
Mest anmärkningsvärt, forskarna hittade denna porösa β-MnO 2 att vara mycket effektivare som en katalysator för att syntetisera FDCA än β-MnO 2 produceras med ett mer utbrett tillvägagångssätt som kallas "hydrotermisk metod". För att förstå varför, de analyserade kemikalien, mikroskopisk, och spektrala egenskaper hos β-MnO 2 nanopartiklar producerade under olika syntesbetingelser.
De fann att β-MnO 2 kan anta markant olika morfologier enligt vissa parametrar. Särskilt, genom att justera surheten (pH) i lösningen i vilken prekursorerna blandas, p-MnO 2 nanopartiklar med stora sfäriska porer kan erhållas. Denna porösa struktur har en större yta, ger därmed bättre katalytisk prestanda. Spännande över resultatet, Kamata anmärker:"Vår porösa β-MnO 2 nanopartiklar kan effektivt katalysera oxidationen av HMF till FDCA i skarp kontrast med β-MnO 2 nanopartiklar erhållna via den hydrotermiska metoden. Ytterligare finkontroll av kristalliniteten och/eller porös struktur av β-MnO 2 kan leda till utvecklingen av ännu effektivare oxidativa reaktioner."
Vad mer, denna studie gav mycket insikt i hur porösa strukturer och tunnelstrukturer bildas i MnO 2 , som kan vara nyckeln till att utöka dess tillämpningar, som Kamata säger:"Vårt tillvägagångssätt, som involverar omvandling av Mn-prekursorer till MnO 2 inte i vätskefasen (hydrotermisk metod) utan under luftatmosfär, är en lovande strategi för syntes av olika MnO 2 nanopartiklar med tunnelstrukturer. Dessa kan användas som mångsidiga funktionella material för katalysatorer, kemiska sensorer, litiumjonbatterier, och superkondensatorer." Ytterligare studier som denna kommer förhoppningsvis att tillåta oss att en dag utnyttja den fulla potentialen som nanostrukturerade material har att erbjuda.
