Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology onderzoeken een nieuwe en simplistische methode om mangaandioxide te synthetiseren met een specifieke kristallijne structuur genaamd β-MnO ₂ . Hun studie werpt licht op hoe verschillende syntheseomstandigheden mangaandioxide kunnen produceren met verschillende poreuze structuren, hint naar een strategie voor de ontwikkeling van sterk afgestemde MnO ₂ nanomaterialen die als katalysator kunnen dienen bij de fabricage van bioplastics.

Materiaaltechnologie is zo ver gevorderd dat we ons niet alleen zorgen maken over de chemische samenstelling van een materiaal, maar ook over de structuur ervan op nanometrisch niveau. Nanogestructureerde materialen hebben onlangs de aandacht getrokken van onderzoekers uit verschillende vakgebieden en met goede reden; hun fysieke, optisch, en elektrische kenmerken kunnen worden afgestemd en tot het uiterste worden geduwd zodra methoden beschikbaar zijn om hun nanostructuur aan te passen.

Mangaandioxide (chemische formule MnO ₂ ) nanogestructureerd metaaloxide dat veel verschillende kristallijne structuren kan vormen, met toepassingen op verschillende technische gebieden. Een belangrijk gebruik van MnO ₂ is als een katalysator voor chemische reacties, en een bepaalde kristallijne structuur van MnO ₂ , genaamd β-MnO ₂ , is uitzonderlijk voor de oxidatie van 5-hydroxymethylfurfural tot 2, 5-furandicarbonzuur (FDCA). Omdat FDCA kan worden gebruikt om milieuvriendelijke bioplastics te produceren, manieren vinden om de nanostructuur van β-MnO . af te stemmen ₂ om zijn katalytische prestaties te maximaliseren is cruciaal.

Echter, produceren van β-MnO ₂ is moeilijk vergeleken met andere MnO ₂ kristallijne structuren. Bestaande methoden zijn gecompliceerd en omvatten het gebruik van sjabloonmaterialen waarop β-MnO ₂ 'groeit' en komt na enkele stappen uit op de gewenste structuur. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology onder leiding van prof. Keigo Kamata verkennen een sjabloonvrije benadering voor de synthese van verschillende soorten poreus β-MnO ₂ nanodeeltjes.

hun methode, beschreven in hun studie gepubliceerd in ACS Toegepaste Materialen &Interfaces , is buitengewoon eenvoudig en handig. Eerst, Mn-voorlopers worden verkregen door waterige oplossingen te mengen en de vaste stoffen te laten precipiteren. Na filtratie en drogen, de verzamelde vaste stoffen worden onderworpen aan een temperatuur van 400°C in een normale luchtatmosfeer, een proces dat bekend staat als calcineren. Tijdens deze stap, het materiaal kristalliseert en het daarna verkregen zwart poeder is meer dan 97% poreus β-MnO ₂ .

Het meest opvallend is, vonden de onderzoekers dit poreuze β-MnO ₂ om veel efficiënter te zijn als katalysator voor het synthetiseren van FDCA dan de β-MnO ₂ geproduceerd met behulp van een meer wijdverbreide benadering, de 'hydrothermische methode'. Om te begrijpen waarom, ze analyseerden de chemische stof, microscopisch, en spectrale kenmerken van β-MnO ₂ nanodeeltjes geproduceerd onder verschillende syntheseomstandigheden.

Ze ontdekten dat β-MnO ₂ kan volgens bepaalde parameters duidelijk verschillende morfologieën aannemen. Vooral, door de zuurgraad (pH) van de oplossing waarin de voorlopers worden gemengd aan te passen, β-MnO ₂ nanodeeltjes met grote bolvormige poriën kunnen worden verkregen. Deze poreuze structuur heeft een groter oppervlak, waardoor betere katalytische prestaties worden verkregen. Enthousiast over de resultaten, Kamata merkt op:"Onze poreuze β-MnO ₂ nanodeeltjes kunnen de oxidatie van HMF tot FDCA efficiënt katalyseren in scherp contrast met β-MnO ₂ nanodeeltjes verkregen via de hydrothermische methode. Verdere fijne controle van de kristalliniteit en/of poreuze structuur van β-MnO ₂ zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nog efficiëntere oxidatieve reacties."

Bovendien, deze studie heeft veel inzicht gegeven in hoe poreuze en tunnelstructuren worden gevormd in MnO ₂ , die de sleutel zou kunnen zijn voor de uitbreiding van zijn toepassingen, zoals Kamata stelt:"Onze aanpak, die de transformatie van Mn-precursoren in MnO . inhoudt ₂ niet in de vloeibare fase (hydrothermische methode) maar onder een luchtatmosfeer, is een veelbelovende strategie voor de synthese van verschillende MnO ₂ nanodeeltjes met tunnelstructuren. Deze kunnen toepasbaar zijn als veelzijdige functionele materialen voor katalysatoren, chemische sensoren, lithium-ion batterijen, en supercondensatoren." Verdere studies zoals deze zullen ons hopelijk in staat stellen om op een dag het volledige potentieel te benutten dat nanogestructureerde materialen te bieden hebben.