Наногибриды на основе полиоксометаллата (ПОМ) потенциально могут радикально изменить устойчивость в самых разных отраслях, но исследования этих веществ находятся в зачаточном состоянии. Группа исследователей подготовила всесторонний обзор прогресса сектора и проблем, которые еще предстоит преодолеть.
Новый класс наноразмерных гибридных материалов может повысить устойчивость энергетических систем , транспорта, биосенсоров, очистки воды и даже 3D-печати, но эта область все еще очень молода. Группа исследователей теперь подготовила подробный обзор состояния дел в области наногибридов на основе полиоксометаллата (ПОМ), прокладывая путь для исследований в этой передовой области материаловедения.
Обзорный документ с подробным описанием полученных результатов был опубликован в журнале Polyoxometalates 30 сентября.
В последние десятилетия появился новый класс наноразмерных материалов или, проще говоря, наноматериалов, в которых отдельная единица имеет размеры в диапазоне 1–100 нанометров. В этом масштабе материалы могут проявлять уникальные и часто улучшенные физические, химические и биологические свойства, которые отличаются от более массивных или «объемных» материалов. Например, наноразмерные материалы могут иметь более высокое соотношение площади поверхности к объему, что может повысить их реакционную способность и способность катализировать (запускать или ускорять) химические реакции.
Возможно, самым известным наноматериалом является графен, но наноматериалы могут быть созданы из широкого спектра веществ, включая металлы, полупроводники, керамику и полимеры. Совсем недавно исследователи также разработали наногибриды. Это вещества, сочетающие в себе два или более различных типов наноматериалов.
Особый интерес для исследователей, особенно тех, кто стремится сделать промышленное производство более устойчивым, представляют наногибриды на основе полиоксометаллата (ПОМ), которые обладают уникальными каталитическими свойствами в фотоэлектрохимических реакциях — те, которые генерируют электричество из света или расщепляют воду на экологически чистые водород и кислород. . Это делает наногибриды ПОМ перспективными кандидатами для широкого спектра применений, включая преобразование и хранение чистой энергии, а также датчиков и электроники, которые не зависят от использования грязных источников энергии.
ПОМ представляют собой очень большой класс дешевых и стабильных неорганических соединений, которые состоят из ионов металлов, обычно переходных металлов, таких как вольфрам или молибден, связанных между собой атомами кислорода, образующих трехмерную сеть. ПОМ обычно представляют собой большие сложные молекулы, которые могут иметь широкий диапазон форм и размеров и обладают множеством интересных и полезных свойств.
«За последние несколько лет произошел взрывной рост исследований наногибридов ПОМ, и поэтому мы подумали, что пришло время сделать паузу и сделать обзор текущего состояния дел, чтобы выявить потенциальные пробелы в исследованиях и противоречия», — сказал Гуанджин Чжан. автор-корреспондент обзорной статьи и химик Ключевой лаборатории экологических процессов и инженерии Китайской академии наук.
Научные обзорные статьи являются неотъемлемой частью научного процесса, целью которых является обобщение и критическая оценка текущего состояния знаний по определенной теме в данной области науки, оценка качества и достоверности существующей литературы и предложение будущих направлений исследований.
Авторы обзора приходят к выводу, что ПОМ настолько привлекательны тем, что они могут усиливать фотоэлектрохимические каталитические свойства получаемого наногибридного материала. Это связано с тем, что ПОМ могут выступать как акцепторами, так и донорами электронов, что позволяет им облегчить перенос электрического заряда и повысить эффективность соответствующих реакций. Более того, ПОМ сами могут действовать как катализаторы, еще больше усиливая каталитические свойства наногибридного материала.
В обзоре также объясняется разница между бинарными и тройными наногибридами на основе ПОМ: первый состоит из двух функциональных наноразмерных материалов, а второй — из трех. Бинарные наногибриды сочетают в себе ПОМ и металл, ПОМ и полупроводник или ПОМ и наноуглерод, тогда как тройные наногибриды сочетают в себе ПОМ, металл и наноуглерод.
Авторы отмечают, что бинарные наногибриды были тщательно изучены и показали многообещающие результаты в различных приложениях, включая фотокатализ, топливные элементы и биосенсоры. Между тем, тройные наногибриды могут объединить уникальные свойства трех разных материалов, что приведет к еще большей функциональности и универсальности.
Одно из наиболее многообещающих направлений исследований наногибридов на основе ПОМ обоих типов связано с их использованием в фотокатализе — использовании света для управления химическими реакциями. Наногибриды на основе ПОМ могут повысить эффективность фотокаталитических реакций, что может найти важное применение в таких областях, как преобразование солнечной энергии и восстановление окружающей среды. Наногибриды могут также найти применение в топливных элементах, которые представляют собой устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую, например, в транспорте, работающем на водороде. Наногибриды на основе ПОМ могут повысить эффективность и долговечность топливных элементов.
Другая область, не связанная с устойчивой энергетикой , где наногибриды на основе ПОМ демонстрируют большие перспективы, включает их применение в биосенсорах, устройствах, которые обнаруживают и измеряют биологические или химические вещества в образце посредством изменений электрических сигналов, возникающих в результате биохимических реакций. Большая площадь поверхности наногибридов и способность иммобилизовать биомолекулы, помимо других свойств, делают их особенно подходящими для использования в таких устройствах.
Исследователи уже использовали наногибриды на основе ПОМ для разработки биосенсоров, которые могут с высокой чувствительностью обнаруживать такие вещества, как симазин и перекись водорода. Эти биосенсоры могут быть использованы в широком спектре применений: от медицинской диагностики до мониторинга окружающей среды. Другие новые области применения включают очистку воды, полупроводники и 3D-печать.
Одна из основных проблем, с которыми сталкиваются исследователи в этой области, заключается в том, что, хотя тройные наногибриды на основе ПОМ обеспечивают еще более высокую производительность, на данный момент исследования все еще находятся в зачаточном состоянии, и понимание свойств и поведения тройных наногибридов более ограничено. Их потенциальное применение все еще изучается, и могут возникнуть проблемы, связанные с разработкой и оптимизацией тройных наногибридов для конкретных применений. Кроме того, для всех типов наногибридов ПОМ растворимость молекул ПОМ в гибридах может ухудшить их эффективность в качестве катализаторов. Их неравномерное распыление на проводящих веществах и в них также остается постоянной проблемой, а в сочетании с металлами или оксидами металлов контроль размера и формы частиц затруднен.
Авторы утверждают, что больший акцент на фундаментальном понимании взаимосвязи между структурой гибридов и их химической активностью должен помочь преодолеть эти препятствия на пути к более широкому применению, и призывают к более широкому сотрудничеству между различными дисциплинами для этого.
Теги: графен, полимеры
