Jak zbudować sferyczny nanoreaktor katalityczny, w którym wysoko zdyspergowana faza aktywna w formie tlenku metalu zostaje umieszczona wewnątrz porowatej otoczki stanowiącej swoistego rodzaju przegrodę wydzielającą przestrzeń reakcyjną?
W czasopiśmie Chemical Engineering Journal ukazał się artykuł pt. „Polymer template assisted construction of spherical Co3O4@meso-SiO2 yolk-shell nanoreactors for catalytic combustion of volatile organic compounds” autorstwa badaczy z Zespołu Technologii Organicznej Wydziału Chemii UJ. W publikacji opisano strategię syntezy układów rdzeniowo-powłokowych opartą na zastosowaniu sferycznych szablonów polimerowych o zdefiniowanych właściwościach adsorpcyjnych, która otwiera nowy rozdział w badaniach związanych z nanoinżynierią chemiczną. Ścieżka wydaje się prosta. Wystarczy zsyntezować sferyczny polimer odznaczający się dużą pojemnością adsorpcyjną względem prekursora fazy aktywnej katalitycznie o jednorodnym rozmiarze ziaren, który będzie determinować rozmiary formowanego nanoreaktora. W kolejnym kroku otoczyć cząstki polimerowe krzemionką kondensującą w środowisku rozpuszczalnika z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego, stanowiącego czynnik porotwórczy. Otoczkę SiO2 należy w kolejnym kroku uwolnić z pozostającego w jej strukturze surfaktantu, generując jej odpowiednią porowatość, dzięki której uzyskany materiał kompozytowy polimer@SiO2 można nasycić roztworem prekursora fazy aktywnej (np. jonami metalu przejściowego). Należy pamiętać, że pojemność adsorpcyjna szablonu polimerowego jest kluczowym parametrem gwarantującym właściwe zagęszczenie prekursora w obrębie rdzenia organicznego. Tak przygotowany materiał wystarczy poddać ostatecznie procesowi obróbki cieplnej, aby wyeliminować szablon i przekształcić prekursor w stabilną termicznie formę gotową do pracy w roli katalizatora w procesach biegnących w podwyższonych temperaturach.
Opracowaną strategię syntezy zweryfikowano na przykładzie układu zawierającego nanoziarna Co3O4 zamknięte w mezoporowatych otoczkach SiO2 o średnicy ok. 250 nm i grubości ścian ok. 50-60 nm. Wytworzone materiały zdefiniowano stosując szeroki wachlarz metod eksperymentalnych obejmujących techniki analizy termicznej, dyfrakcyjne, adsorpcyjne, mikroskopowe oraz spektroskopowe, które pozwoliły na potwierdzenie otrzymania zakładanej struktury. Cząstki fazy Co3O4 zabezpieczone przed agregacją we wnętrzu struktury rdzeniowo-powłokowej pozostawały łatwo osiągalne przez molekuły z otaczającej fazy gazowej dzięki odpowiedniej porowatości otoczki SiO2. Tak spreparowany nanorektor, zapewniający optymalny transport masy i ciepła w całej swojej objętości, okazał się ponadprzeciętnie efektywny w procesie katalitycznego utlenienia lotnych związków organicznych, stanowiącego jedną z najskuteczniejszych metod eliminacji niepożądanych, organicznych zanieczyszczeń powietrza.
Badania wykonano przy wsparciu środków pochodzących z projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programu Sonata (projekt nr 2020/39/D/ST5/02703).
Autorom serdecznie gratulujemy!
Zgodnie z wykazem czasopism naukowych i recenzowanych materiałów z konferencji międzynarodowych Ministerstwa Edukacji i Nauki liczba punktów przypisana czasopismu Chemical Engineering Journal wynosi 200 (Impact Factor = 15,1)
Chem. Eng. J. 480 (2024) 148173