یک کشف راهگشا برای توسعه نسل جدیدی از نانوکاتالیست های کارآمد در تصفیه آب
به گزارش آجاک، محققان دانشگاه علوم پزشکی آبادان با همکاری چند مرکز تحقیقاتی برجسته در آسیا و اروپا به موفقیت رسیدند سازوکاری تازه در افزایش کارآمدی فرآیند فنتن مانند برای حذف آنتی بیوتیک ها از آب شرب شناسایی کنند. این گروه در یک بررسی جامع نشان دادند که کنترل تعداد «نقص های اکسیژن» در نانوذرات اکسید کبالت می تواند مسیر تولید گونه های فعال اکسیژن را کاملا تغییر دهد و بازده واکنش را به صورت قابل ملاحظه ای افزایش دهد.
به گزارش آجاک به نقل از ایسنا، یافته ها نشان داده است که طراحی دقیق ساختار نانویی و مدیریت چگالی الکترون در ابعاد اتمی تعیین می کند که رادیکال ها چه طور تشکیل و مصرف شوند و کدام مسیر، یعنی •OH یا O₂•−، نقش اصلی را در تخریب آلاینده ها بر عهده می گیرد. این کشف می تواند راه را برای توسعه نسل تازه ای از نانوکاتالیست های کارآمد در تصفیه آب باز کند.
طی سالهای اخیر سرعت انتشار آلاینده های نوظهور، همچون آنتی بیوتیک ها، از توان سیستم های تصفیه آب فراتر رفته و خیلی از تصفیه خانه ها در عمل با روش های قدیمی دست وپا می زنند. یکی از روش هایی که امید زیادی برای رویارویی با این ترکیبات سرسخت دارد، پروسه فنتن مانند است؛ واکنشی که باید رادیکال های قوی تولید نماید تا بتواند پیوندهای شیمیایی مقاوم دارویی را بشکند. مشکل اینجاست که خیلی از کاتالیست های فعلی هنوز بازده کمی دارند و توان واقعی سیستم به خاطر ضعف سطح فعال و محدودیت انتقال الکترونی هدر می رود. همین ضرورت سبب شد گروهی از محققان بین المللی به سراغ طراحی دقیق چارچوب های نانومقیاس بروند تا بفهمند چگونه می توان تولید گونه های فعال اکسیژن را چند برابر کرد.
در این راستا، تیمی مشترک از دانشگاه علوم پزشکی آبادان، دانشگاه تسینگ هوا، دانشگاه ملی چونگ هسینگ، دانشگاه صنعتی هوچی مین و دانشگاه صنعتی نانیانگ با بررسی نقش نانومعماری و مهندسی نقص های اکسیژن در یک کاتالیست اکسید کبالت، مسیر تازه ای برای افزایش کارآیی پروسه فنتن مانند معرفی کرده اند. این همکاری گسترده به بررسی یکی از بنیادی ترین پرسش های حوزه اکسیدهای فلزی پرداخت: اینکه چه می شود وقتی در مقیاس نانو عمدا تعداد نقص های اکسیژن را افزایش می دهیم و چگونه این نقص ها می توانند عملکرد واکنش را زیرورو کنند.
طراحی اکسیدهای فلزی با «نقص اکسیژن» یا OV، سال هاست که یک راهبرد نویدبخش برای بهبود فعالیت فتوکاتالیستی و فنتن مانند شمرده می شود. اما هنوز درباره ی چند نکته اختلاف نظر وجود داشت:
این نقص ها دقیقا چه تغییری در رفتار الکترونی ایجاد می کنند؟ آیا هرچه تعداد OV بیشتر شود، واقعاً واکنش بهتر می شود؟ این ساختارها چگونه موجب فعال سازی قوی تر H₂O₂ می شوند؟ و نسبت میان انواع مسیرهای رادیکالی و غیررادیکالی چیست؟
برای پاسخ دقیق به این پرسش ها، محققان مجموعه ای از نانوذرات یولک شل Co₃O₄ را ساختند که میزان نقص اکسیژن در هر نمونه کاملا کنترل شده بود. این بخش همان جایی است که فناوری نانو در قلب کار قرار می گیرد: مهندسی پوسته و هسته، کنترل تعداد نقص های اتمی، تنظیم چگالی الکترون در مقیاس زیرنانومتری و ارزیابی آن با محاسبات DFT.
بر مبنای آزمایش ها و شبیه سازی ها، افزایش نقص های اکسیژن سبب شد رفتار الکترونی سایت های کبالت بطور اساسی تغییر کند. وقتی OV بیشتر شد، سه تحول هم زمان رخ داد:
* چگالی الکترون محلی اطراف کبالت افزوده شد.
* الکترون ها از حالت موضعی به حالت پخش شده درآمدند.
* چگالی بار کم شد و رسانایی کلی ماده بالا رفت.
این تغییرات الکترونی نه یک اصلاح جزئی، بلکه بازطراحی کامل سایت فعال بود. سایت های کبالت حالا الکترون دوست تر شده بودند و به علت کار تابعی پایین تر، راحتتر الکترون اهدا می کردند. نتیجه این شد که مولکول H₂O₂ با انرژی کمتر جذب شد و پیوند O-O در آن بالاتر از قبل کشیده و تضعیف شد؛ وضعیتی که دقیقا برای تولید رادیکال هیدروکسیل ضروری است.
در آزمایش ها ابتدا •OH و O₂•− هر دو تولید شدند، اما اتفاق جالبی رخ داد. رادیکال هیدروکسیل خیلی زود مصرف شد و سهم واقعی اش در ادامه واکنش کم شد. در مقابل، غلظت O₂•− با گذشت زمان بالاتر رفت و نقش اصلی را در تخریب آنتی بیوتیک سولفادایازین (SDZ) برعهده گرفت.
این نقطه کلیدی پژوهش است: افزایش نقص اکسیژن نه تنها مقدار رادیکال ها را بالا می برد، بلکه موجب می شود الکترون های منتقل شده از خود SDZ وارد چرخه شوند و تولید O₂•− را تقویت نمایند.
به زبان ساده تر، آلاینده ای که قرار بود تخریب شود، خودش تبدیل به منبع تقویت واکنش شد. این مکانیسم تازه، مسیر مؤثرتری برای تولید گونه های فعال اکسیژن معرفی می کند و نشان داده است که قوی ترین مسیر در فنتن مانند لزوما آن چیزی نیست که همیشه فکر می کردیم.
تمام این رفتارها به لطف طراحی نانومقیاس یولک شل Co₃O₄ امکانپذیر شد؛ جایی که:
شکل توخالی امکان انتقال سریع الکترون را فراهم کرد
نقص های کنترل شده اکسیژن ساختاری الکترون غنی ایجاد کردند
پایداری نانوذرات اجازه داد پروسه در چند چرخه متوالی حفظ شود
مهندسی این نقص ها در مقیاس اتمی همان بخش نانویی پروژه است که سبب شد مسیر واکنش کاملا جهت دار و تقویت شده شود. بدون امکان دست کاری چگالی الکترون و سطح فعال در اندازه نانو، چنین تغییری ممکن نبود.
این مطالعه نشان داد که طراحی کاتالیست های فنتن مانند باید فراتر از افزایش سطح فعال یا اصلاح ساختار باشد. آن چه عملکرد را تعیین می کند تنظیم دقیق رفتار الکترونی در سطح اتمی است؛ همچون چگالی الکترون، انرژی جذب H₂O₂، و مسیرهای انتقال الکترون از آلاینده. محققان با مهندسی نقص های اکسیژن توانستند پیوند O-O را تضعیف کنند، تولید گونه های فعال را تقویت نمایند و مسیر الکترونی تازه ای برای تجزیه مؤثر آنتی بیوتیک ها عرضه کنند. این یافته ها چشم انداز تازه ای برای توسعه کاتالیست های هوشمند و کارآمد در تصفیه آب به وجود می آورد.
نتایج این پروژه در چارچوب مقاله ای با عنوان Electron transfer-mediated enhancement of superoxide radical generation in fenton-like process: Key role of oxygen vacancy-regulated local electron density of cobalt sites در نشریه Applied Catalysis B: Environmental به چاپ رسیده است.
این مطلب آجاک را پسندیدید؟
(0)
(0)
تازه ترینهای مرتبط
نظر بینندگان آجاک در این باره