Polyoxometalat (POM)-baserade nanohybrider erbjuder potentiellt en stegvis förändring i hållbarhet inom en mängd olika industrier, men forskningen om ämnena är i sin linda. En grupp forskare har tagit fram en omfattande genomgång av sektorns framsteg och utmaningar som ännu inte måste övervinnas.
En ny klass av hybridmaterial i nanoskala har potential att förbättra hållbarheten inom energisystem, transporter, biosensorer, vattenrening och till och med 3D-utskrift, men området är fortfarande mycket ungt. En grupp forskare har nu tagit fram en detaljerad översikt över läget för polyoxometalat (POM)-baserade nanohybrider, och kartlägger en väg för forskning inom detta banbrytande område av materialvetenskap.
En recensionsartikel som beskriver deras resultat publicerades i tidskriften Polyoxometalates den 30 september.
Under de senaste decennierna har en ny klass av material i nanoskala, eller mer enkelt nanomaterial, dykt upp där en enda enhet har dimensioner i intervallet 1–100 nanometer. I denna skala kan material uppvisa unika och ofta förbättrade fysikaliska, kemiska och biologiska egenskaper som skiljer sig från mer massiva eller "bulk" material. Till exempel kan material i nanoskala ha ett högre förhållande mellan ytarea och volym, vilket kan öka deras reaktivitet och förmåga att katalysera (sätta igång eller påskynda) kemiska reaktioner.
Det kanske mest kända nanomaterialet är grafen, men nanomaterial kan byggas av en mängd olika ämnen, inklusive metaller, halvledare, keramer och polymerer. På senare tid har forskare också utvecklat nanohybrider. Det är ämnen som kombinerar två eller flera olika typer av nanomaterial.
Av särskilt intresse för forskare, särskilt de som syftar till att göra industriell produktion mer hållbar, är polyoxometalat (POM)-baserade nanohybrider, som har unika katalytiska egenskaper inom fotoelektrokemiska reaktioner - de som genererar elektricitet från ljus, eller delar vatten till rent producerat väte och syre . Detta gör POM-nanohybriderna till lovande kandidater för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive ren energiomvandling och lagring, såväl som sensorer och elektronik som inte är beroende av användningen av smutsiga energikällor.
POM är en mycket stor klass av billiga och stabila oorganiska föreningar som består av metalljoner, vanligtvis övergångsmetaller som volfram eller molybden, sammanlänkade av syreatomer för att bilda ett tredimensionellt nätverk. POM är vanligtvis stora, komplexa molekyler som kan ha ett brett utbud av former och storlekar, och de uppvisar en mängd intressanta och användbara egenskaper.
"Det har skett en explosion av forskning om POM-nanohybrider under de senaste åren, och så vi tyckte att det var dags att pausa och ta fram en översikt över det aktuella läget för att identifiera potentiella forskningsluckor och kontroverser", säger Guangjin Zhang. motsvarande författare till granskningsuppsatsen och en kemist vid Key Laboratory of Green Process and Engineering med de kinesiska vetenskapsakademierna.
Vetenskapliga granskningsartiklar är en väsentlig del av den vetenskapliga processen, som syftar till att sammanfatta och kritiskt utvärdera det aktuella kunskapsläget om ett visst ämne inom ett givet vetenskapsområde, bedöma kvaliteten och tillförlitligheten hos den befintliga litteraturen och föreslå framtida forskningsriktningar.
Författarna till recensionen drar slutsatsen i sin recension att det som gör POM så attraktiva är hur de kan förbättra de fotoelektrokemiska katalytiska egenskaperna hos det resulterande nanohybridmaterialet. Detta beror på att POM kan fungera som både elektronacceptorer och donatorer, vilket gör att de kan underlätta överföringen av elektrisk laddning och förbättra effektiviteten för de relevanta reaktionerna. Ännu bättre, POM kan också själva fungera som katalysatorer, vilket ytterligare förbättrar de katalytiska egenskaperna hos nanohybridmaterialet.
Granskningen förklarar också skillnaden mellan binära och ternära POM-baserade nanohybrider, den förra består av två funktionella material i nanoskala, och den senare består av tre. De binära nanohybriderna kombinerar POM och en metall, POM och en halvledare, eller POM och ett nanokol, medan ternära nanohybrider kombinerar en POM, en metall och ett nanokol.
Författarna noterar att binära nanohybrider har studerats omfattande och har visat lovande resultat i en mängd olika tillämpningar, inklusive fotokatalys, bränsleceller och biosensorer. Ternära nanohybrider har samtidigt potentialen att kombinera de unika egenskaperna hos tre olika material, vilket resulterar i ännu större funktionalitet och mångsidighet.
Ett av de mest lovande forskningsområdena för POM-baserade nanohybrider av båda typerna kommer från deras användning i fotokatalys - med hjälp av ljus för att driva kemiska reaktioner. POM-baserade nanohybrider har potential att förbättra effektiviteten av fotokatalytiska reaktioner, som kan ha viktiga tillämpningar inom områden som solenergiomvandling och miljösanering. Nanohybriderna kan också användas i bränsleceller, som är enheter som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi, som till exempel i vätedrivna transporter. POM-baserade nanohybrider har potential att förbättra bränslecellernas effektivitet och hållbarhet.
Ett annat område som inte är relaterat till hållbar energi där POM-baserade nanohybrider visar mycket lovande är deras tillämpning i biosensorer, enheter som upptäcker och mäter biologiska eller kemiska ämnen i ett prov via förändringar i elektriska signaler till följd av biokemiska reaktioner. Nanohybridernas höga yta och förmåga att immobilisera biomolekyler, bland andra egenskaper, gör dem särskilt väl lämpade för användning i sådana enheter.
Forskare har redan använt POM-baserade nanohybrider för att utveckla biosensorer som kan upptäcka ämnen som simazin och väteperoxid med hög känslighet. Dessa biosensorer har potential att användas i ett brett spektrum av tillämpningar, från medicinsk diagnostik till miljöövervakning. Andra nya tillämpningar inkluderar vattenrening, halvledare och 3D-utskrift.
En av de största utmaningarna som forskare inom detta område står inför är att medan ternära POM-baserade nanohybrider erbjuder ännu bättre prestanda, är forskningen för närvarande fortfarande i sin linda, med en mer begränsad förståelse för ternära nanohybriders egenskaper och beteende. Deras potentiella tillämpningar undersöks fortfarande och det kan finnas utmaningar relaterade till att utveckla och optimera ternära nanohybrider för specifika tillämpningar. Dessutom, för alla typer av POM-nanohybrider, kan lösligheten av POM-molekyler i hybriderna försämra deras prestanda som katalysatorer. Deras ojämna spridning på och i ledande ämnen förblir också ett ihållande problem, och i kombination med metaller eller metalloxider är det svårt att kontrollera storleken och formen på partiklarna.
Författarna hävdar att ett större fokus på en grundläggande förståelse av förhållandet mellan hybridernas struktur och deras kemiska aktivitet bör hjälpa till att övervinna dessa hinder för bredare tillämpningar, och kräver ett bredare samarbete mellan olika discipliner för att göra det.
Mer information: Shuangshuang Zhang et al, Design och syntes av nya polyoxometalatbaserade binära och ternära nanohybrider för energiomvandling och lagring, Polyoxometalater (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140037
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
