En syntesprocedur utvecklad av NITech-forskare kan omvandla fiskfjäll från fiskavfall till ett användbart kolbaserat nanomaterial. Deras tillvägagångssätt använder mikrovågor för att bryta ner skalorna termiskt via pyrolys på mindre än 10 sekunder, vilket ger kolnano-lökar med oöverträffad kvalitet jämfört med de som erhålls med konventionella metoder. Kredit:Takashi Shirai från NITech, Japan
Tack vare deras låga toxicitet, kemiska stabilitet och anmärkningsvärda elektriska och optiska egenskaper, hittar kolbaserade nanomaterial fler och fler tillämpningar inom elektronik, energiomvandling och lagring, katalys och biomedicin. Kolnanolökar (CNO) är verkligen inget undantag. Först rapporterades 1980, CNOs är nanostrukturer som består av koncentriska skal av fullerener, som liknar burar i burar. De erbjuder flera attraktiva egenskaper som en stor yta och stora elektriska och termiska ledningsförmåga.
Tyvärr har de konventionella metoderna för att producera CNO några allvarliga nackdelar. Vissa kräver hårda syntesförhållanden, såsom höga temperaturer eller vakuum, medan andra kräver mycket tid och energi. Vissa tekniker kan kringgå dessa begränsningar, men kräver istället komplexa katalysatorer, dyra kolkällor eller farliga sura eller basiska förhållanden. Detta begränsar kraftigt CNOs potential.
Som tur är är inte allt hopp ute. I en nyligen publicerad studie publicerad i Green Chemistry , hittade ett team av forskare från Nagoya Institute of Technology i Japan ett enkelt och bekvämt sätt att förvandla fiskavfall till extremt högkvalitativa CNO:er. Teamet, som inkluderade biträdande professor Yunzi Xin, masterstudent Kai Odachi och docent Takashi Shirai, utvecklade en syntesväg där fiskfjäll som utvinns ur fiskavfall efter rengöring omvandlas till CNO på bara några sekunder genom mikrovågspyrolys.
Men hur kan fiskfjäll omvandlas till CNO så lätt? Även om den exakta orsaken inte är helt klar, tror teamet att det har att göra med kollagenet som finns i fiskfjäll, som kan absorbera tillräckligt med mikrovågsstrålning för att producera en snabb temperaturökning. Detta leder till termisk nedbrytning eller "pyrolys", vilket producerar vissa gaser som stöder sammansättningen av CNO. Vad som är anmärkningsvärt med detta tillvägagångssätt är att det inte behöver några komplexa katalysatorer, inte heller hårda förhållanden eller långa väntetider; fiskfjällen kan omvandlas till CNO på mindre än 10 sekunder!
(Vänster) Schema som visar syntesen av kolnano-lökar via mikrovågspyrolys av fiskfjäll. Den översta insättningen visar temperaturökningen på fiskfjällen på grund av mikrovågsabsorption under en period av 10 sekunder, samt en föreslagen mekanism för bildning av kolnano-lökarna. (Höger) transmissionselektronmikroskopbilder som visar morfologin hos de syntetiserade kolnano-lökarna och fotografier av CNO-dispersion i etanol, en emitterande flexibel film och en lysdiod som innehåller CNO. Kredit:Takashi Shirai från NITech, Japan
Dessutom ger denna syntesprocess CNO med mycket hög kristallinitet. Detta är anmärkningsvärt svårt att uppnå i processer som använder biomassavfall som utgångsmaterial. Dessutom, under syntesen, funktionaliseras ytan av CNO:erna selektivt och grundligt med (−COOH) och (−OH) grupper. Detta står i skarp kontrast till ytan på CNO:er framställda med konventionella metoder, som vanligtvis är nakna och måste funktionaliseras genom ytterligare steg.
Denna "automatiska" funktionalisering har viktiga konsekvenser för tillämpningar av CNO:er. När CNO-ytan inte är funktionaliserad tenderar nanostrukturerna att hålla ihop på grund av en attraktiv interaktion som kallas pi−pi-stapling. Detta gör det svårt att sprida dem i lösningsmedel, vilket är nödvändigt i alla applikationer som kräver lösningsbaserade processer. Men eftersom den föreslagna syntesprocessen producerar funktionaliserade CNO:er, möjliggör den en utmärkt dispergerbarhet i olika lösningsmedel.
Ytterligare en fördel förknippad med funktionalisering och den höga kristalliniteten är den med exceptionella optiska egenskaper. Dr Shirai förklarar att "CNO:erna uppvisar ultraljus emission av synligt ljus med en effektivitet (eller kvantutbyte) på 40%. Detta värde, som aldrig har uppnåtts tidigare, är cirka 10 gånger högre än det för tidigare rapporterade syntetiserade CNO:er. med konventionella metoder."
För att visa upp några av de många praktiska tillämpningarna av deras CNO:er, demonstrerade teamet deras användning i lysdioder och blåljusavgivande tunna filmer. CNO:erna producerade en mycket stabil emission, både inuti fasta enheter och när de spreds i olika lösningsmedel, inklusive vatten, etanol och isopropanol. "De stabila optiska egenskaperna kan göra det möjligt för oss att tillverka flexibla filmer och LED-enheter med stor yta", spekulerar Dr Shirai. "Dessa resultat kommer att öppna nya vägar för utvecklingen av nästa generations bildskärmar och halvledarbelysning."
Dessutom är den föreslagna syntestekniken miljövänlig och ger ett enkelt sätt att omvandla fiskavfall till oändligt mycket mer användbara material. Teamet tror att deras arbete skulle bidra till att uppfylla flera av FN:s hållbara utvecklingsmål. Dessutom, om CNO:er tar sig in i nästa generations LED-belysning och QLED-skärmar, kan de i hög grad hjälpa till att minska sina tillverkningskostnader. + Utforska vidare
