Chemici kunnen de reactiviteit van moleculen en functionele groepen rationeel reguleren in zowel industriële als laboratoriumgebaseerde synthetische organische chemieprocessen. Het concept kan worden toegepast op anorganische nanomaterialen, waaronder tweedimensionale (2-D) zwarte fosfor (BP) nanosheets. Bijvoorbeeld, wetenschappers kunnen de hoge reactiviteit van zwarte fosfor met een enkele laag of een enkele laag "afsluiten", wanneer de verbinding niet in gebruik is, om zijn activiteit op aanvraag te hervatten. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Xiao Liu en een team van natuurkundigen, biomaterialen, chemische technologie en biologische chemie in China hebben een beschermende, op chemie gebaseerde methode ontwikkeld om de reactiviteit van zwarte fosfor te reguleren.

Om de beschermende stap te starten, ze bonden aluminiumkationen (Al ³⁺ ) met eenzame elektronenparen van zwarte fosfor (BP) en verminderde de elektronendichtheid op het zwarte fosforoppervlak. Ze voltooiden het proces met een zuurstof / waterbestendige laag via de zelfassemblage van hydrofoob (water-hatend) 1, 2-benzeendithiol (BDT) op de zwarte fosfor/aluminium (BP/Al ³⁺ ) vervoegen. De beschermende stap produceerde een stabiele verbinding met een lage reactiviteit. Door gebruik te maken van een chelatorbehandelingsproces, Liu et al. vervolgens deprotectie van de BP/Al . bereikt ³⁺ /BDT-complex om aluminiumkationen en BDT van het zwarte fosforoppervlak te verwijderen. Op deze manier, ze herstelden de elektronendichtheid van zwarte fosfor met behulp van het de-beschermende proces om de reactiviteit van de verbinding te herstellen.

De eigenschappen van nanomaterialen afstemmen

Liu et al. rationeel een beschermende, op chemie gebaseerde methode ontwikkeld om de reactiviteit van zwarte fosfor tijdens dit werk te beheersen. In de nanowetenschap, onderzoekers kunnen de eigenschappen van nanomaterialen precies afstemmen om de gewenste eigenschappen te verkrijgen. Het reguleren van de reactiviteit van nanomaterialen is van cruciaal belang voor meerstaps programmeerbare toepassingen. Sommige nanomaterialen kunnen worden beschermd om hun reactiviteit onder specifieke omstandigheden te verminderen en de activiteit te herstellen na succesvolle verwijdering van de bescherming. Onderzoekers hebben daarom een ​​reeks selectieve en efficiënte strategieën voorgesteld om de reactiviteit van functionele groepen in de organische chemie te reguleren.

Echter, de bestaande gevestigde organische beschermende en deprotectieve processen kunnen niet worden toegepast op anorganische nanomaterialen vanwege een gebrek aan vergelijkbare functionele groepen. Als resultaat, een efficiënte en eenvoudige benadering om de reactiviteit van anorganische materialen te beheersen moet nog worden ontwikkeld. Om dit te bereiken, begon het team zwarte fosfor te binden met aluminiumkationen (Al ³⁺ ) om de oppervlakte-elektronendichtheid te verminderen en de reactiviteit ervan effectief te verminderen. Het beschermende proces produceerde een rangschikking van de hydrofobe (waterhatende) 1, 2-benezendithiol (BDT) molecuul in aanwezigheid van zwarte fosfor en Al ³⁺ kationen om een ​​ultrastabiel complex te bieden (BP/Al ³⁺ /BDT). De verbinding was tot twee maanden stabiel onder omgevingsomstandigheden zonder veranderingen. Het team kan het onstabiele complex ontschermen door middel van een chelatorbehandeling.

Synthese en karakterisering van de BP/Al ³⁺ /BDT-verbinding

Liu et al. gesynthetiseerd en gekarakteriseerd (getest) de bulk zwarte fosfor (BP) door een eerder ontwikkelde methode te volgen. Het team verkreeg voor het eerst BP-nanosheets door de poedervorm van het molecuul te soniceren, vervolgens met behulp van scanning-elektronenmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), ze observeerden de grootte van BP. TEM met hoge resolutie gaf ook inzicht in de nanosheetstructuur en atomaire krachtmicroscopie onthulde de dikte van BP met vier tot zes afzonderlijke lagen fosforeenlagen. Met behulp van röntgendiffractie en Raman-spectra, het team bepaalde dat de kristalkenmerken van BP vergelijkbaar zijn met de bulkvorm. Bij de beschermende stap van kationische binding aan het BP-oppervlak, Liu et al. gemengde BP met aluminiumchloride (AlCl ₃ ) in een ethanoloplossing. Vervolgens karakteriseerden ze de succesvolle gehechtheid van Al ³⁺ kationen aan het BP-oppervlak om de bescherming van BP te versterken door gebruik te maken van röntgenfoto-elektronspectroscopie. Het team observeerde de nanomorfologie van de verbinding en bestudeerde de oppervlakteconformatie met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) en verifieerde de structuur ervan verder met Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) en proton-kernmagnetische resonantie ( ¹ HNMR).

Liu et al. onderzocht de reactiviteit van de BP/Al ³⁺ /BDT-complex door gebruik te maken van een verscheidenheid aan optische technieken in de materiaalkunde om de structuur ervan te begrijpen. De bijbehorende afbeeldingen toonden de evolutie van de kristalstructuur en stabiliteit op lange termijn onder omgevingsomstandigheden. De stabiliteit van de BP/Al ³⁺ /BDT-complex was superieur aan alleen zwarte fosfor en de resultaten benadrukten de bruikbaarheid van het inbedden van zwarte fosfor in de verbinding. Het team schreef de verminderde reactiviteit van de complexe structuur toe aan twee factoren; eerst, het aluminiumkation dat het zwarte fosforoppervlak bindt, zorgde voor een lagere chemische reactiviteit. Tweede, de zelf-geassembleerde hydrofobe dichte array op het oppervlak van zwarte fosfor isoleerde het molecuul van zuurstof en water om verdere degradatie te voorkomen, verbetering van de stabiliteit van de verbinding.

De bescherming van de BP/Al . opheffen ³⁺ /BDT-verbinding

Het onderzoeksteam ontschermde het ultrastabiele complex door het aluminiumkation van het oppervlak van de verbinding te verwijderen. Ze bereikten deze stap met een conventionele metaalionchelator - natriumedetaat (EDTA-4Na). Tijdens het proces, Liu et al. verwijderden ook de hydrofobe BDT-moleculen samen met aluminiumkationen, om het resulterende hydrofiele (waterminnende) oppervlak met negatief zeta-potentiaal te verkrijgen, vergelijkbaar in vorm met het oorspronkelijke zwarte fosformolecuul. Het beschermende en beschermende regulatieproces stelde de wetenschappers in staat om de reactiviteit van zwarte fosfor omkeerbaar te beheersen. De resultaten suggereren het vermogen om de reactiviteit van het molecuul in de praktijk efficiënt te reguleren.

Outlook

Op deze manier, Xiao Liu, en collega's ontwikkelden een nieuwe, op beschermende chemie gebaseerde benadering om de reactiviteit van zwarte fosfor (BP) rationeel te reguleren. Tijdens de beschermende stap, ze bonden aluminiumkationen (Al ³⁺ ) aan het enige elektronenpaar op BP om de elektronendichtheid aan het oppervlak te verminderen. Deze beschermende stap verbeterde de functionalisering van de hydrofobe (waterhatende) 1, 2-benzendithiol (BDT), op de BP/Ali ³⁺ geconjugeerd oppervlak om een ​​dichte hydrofobe laag te vormen, die de reactiviteit van zwarte fosfor sterk verminderde. Het team gebruikte vervolgens een chelator om de aluminiumkationen van zwarte fosfor te verwijderen om het molecuul terug te brengen naar zijn oorspronkelijke hoge elektronendichtheid. hydrofiel (waterminnend) oppervlak. De ontschermde BP vertoonde een hoge reactiviteit in zijn oorspronkelijke staat. De methode bood een afstembare benadering om de reactiviteit van BP te manipuleren, wat moeilijk te bereiken is door conventionele functionalisering. Deze beschermende strategie kan worden onderzocht om de reactiviteit van nanomaterialen te reguleren om futuristische programmeerbare nanostructuren te creëren voor toepassingen in de materiaalwetenschap.

© 2020 Wetenschap X Netwerk