Inżynierowie z Rice University opracowali innowacyjny sposób wytwarzania kowalencyjnych struktur organicznych (COF), czyli specjalnych materiałów, które można wykorzystać do wychwytywania gazów, filtrowania wody i przyspieszania reakcji chemicznych. COF mają potencjał, aby sprostać znaczącym wyzwaniom środowiskowym, w tym magazynowaniu energii i kontroli zanieczyszczeń. Przykładem tego jest ich potencjalne zastosowanie w dekontaminacji „wiecznych chemikaliów” lub substancji per- i polifluoroalkilowych (PFAS).
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Inżynier chemii ryżu Rafael Verduzco i jego zespół opisali nowy sposób syntezy wysokiej jakości COF przy niskich kosztach i dużej wydajności”. Zastosowano ACS Materiały i interfejsy które znajdą się na okładce przyszłego numeru czasopisma. Praca obejmuje dokładną analizę zalet i wad różnych metod syntezy oraz szczegółowo opisuje wszechstronny i opłacalny sposób wytwarzania COF. Wymaga to mikroreaktora wieloprzepływowego i dokładnej kalibracji procesu wejścia-wyjścia.
„Zbudowaliśmy mały, ciągły system produkcyjny – przypominający minifabrykę na stole laboratoryjnym – w którym składniki COF są mieszane i poddawane reakcji w ciągłym strumieniu, a nie wszystkie na raz w dużym pojemniku” – powiedziała Safiya Khalil, specjalistka ds. ryżu absolwentka studiów doktoranckich, która jest pierwszą autorką badania.
Naukowcy odkryli również, że jeden z COF wytwarzanych w drodze syntezy przepływowej był lepszy niż COF wytwarzany innymi metodami w rozkładaniu kwasu perfluorooktanowego (PFOA), związku PFAS powiązanego z szeregiem zagrożeń dla zdrowia, w tym rakiem i szkodliwym działaniem na rozrodczość.
„To zachęcające odkrycie, które stanowi uzupełnienie coraz większej liczby dowodów na to, że COF mogą odegrać kluczową rolę w opracowywaniu czystszych, bardziej wydajnych technologii usuwania zanieczyszczeń” – powiedział Verduzco, profesor i zastępca kierownika inżynierii chemicznej i biomolekularnej w Rice, który jest autor korespondencyjny w sprawie badania.
COF to krystaliczne polimery zbudowane z małych, powtarzających się jednostek połączonych ze sobą w mikroskopijne struktury przypominające gąbkę. Materiały te wyróżniają się porowatością, dużą powierzchnią i przestrajalną strukturą molekularną – cechami, które można wykorzystać w szerokim zakresie zastosowań, w tym w półprzewodnikach, czujnikach, dostarczaniu leków i filtracji. Jednak powolny i kosztowny proces wytwarzania COF ograniczył ich szersze zastosowanie.
„Mamy nadzieję, że ta metoda ułatwi produkcję COF w dużych ilościach i pomoże przyspieszyć odkrywanie nowych receptur” – powiedział Khalil, który uzyskał stopień doktora. uzyskała tytuł doktora inżynierii chemicznej i biomolekularnej w Rice, gdzie była częścią Laboratorium Inżynierii Polimerów Verduzco.
Khalil porównał tę nową metodę do robienia ciastek na zamówienie w małych partiach, zamiast pieczenia ich wszystkich na raz w jednej dużej porcji. Chociaż do wytworzenia COF nie był to pierwszy przypadek zastosowania syntezy w reaktorze przepływowym, metoda badaczy Rice wyróżnia się na tle poprzednich podejść, ponieważ łączy ciągłą syntezę i przetwarzanie dwóch różnych składów chemicznych COF, co skutkuje bardziej zróżnicowanym zakresem formatów makroskopowych.
„Ta metoda umożliwia ciągłe przygotowywanie świeżych ciasteczek przy jednoczesnej kontroli temperatury i mieszaniu na każdym etapie, aby za każdym razem uzyskać najlepszą jakość” – powiedział Khalil. „Ten proces jest szybszy, zużywa mniej energii i pozwala na lepszą kontrolę nad produktem końcowym”.
Tradycyjna synteza COF wymaga stosowania wysokich temperatur, wysokiego ciśnienia i toksycznych rozpuszczalników organicznych, co ogranicza powszechną produkcję i zastosowanie. Strategia syntezy przepływowej opracowana przez badaczy pozwala nie tylko na szybszą produkcję COF, ale także umożliwia tworzenie COF o doskonałej krystaliczności.
Dodatkowy dowód na to, że jeden z nowo zsyntetyzowanych COF był bardzo skuteczny w rozkładaniu „wiecznej substancji chemicznej”, ukazuje praktyczne korzyści płynące z nowej metody. Proces rozkładu, znany jako degradacja fotokatalityczna, jest aktywowany przez światło i zachodzi w temperaturze pokojowej.
„Wyobraźcie sobie te COF jako potężne gąbki z wbudowanymi «silnikami słonecznymi», które mogą rozkładać szkodliwe chemikalia znacznie szybciej niż obecne metody” – powiedział Khalil. „Jeden z zsyntetyzowanych przez nas COF był skuteczniejszy w rozkładaniu PFOA niż tradycyjne materiały, takie jak dwutlenek tytanu – powszechny fotokatalizator stosowany w kontroli zanieczyszczeń”.
Badania były wspierane przez Ministerstwo Edukacji Zjednoczonych Emiratów Arabskich i Fundację Welch (C-2124).
