Dankzij hun lage toxiciteit, chemische stabiliteit en opmerkelijke elektrische en optische eigenschappen vinden op koolstof gebaseerde nanomaterialen steeds meer toepassingen in elektronica, energieconversie en -opslag, katalyse en biogeneeskunde. Koolstof nano-uien (CNO's) zijn zeker geen uitzondering. Voor het eerst gerapporteerd in 1980, zijn CNO's nanostructuren die zijn samengesteld uit concentrische omhulsels van fullerenen, die lijken op kooien in kooien. Ze bieden meerdere aantrekkelijke eigenschappen, zoals een groot oppervlak en grote elektrische en thermische geleidbaarheid.

Helaas hebben de conventionele methoden voor het produceren van CNO's enkele ernstige nadelen. Sommige vereisen zware syntheseomstandigheden, zoals hoge temperaturen of vacuüm, terwijl andere veel tijd en energie vergen. Sommige technieken kunnen deze beperkingen omzeilen, maar vereisen in plaats daarvan complexe katalysatoren, dure koolstofbronnen of gevaarlijke zure of basische omstandigheden. Dit beperkt het potentieel van CNO's enorm.

Gelukkig is niet alle hoop verloren. In een recente studie gepubliceerd in Green Chemistry , heeft een team van wetenschappers van het Nagoya Institute of Technology in Japan een eenvoudige en handige manier gevonden om visafval om te zetten in extreem hoogwaardige CNO's. Het team, bestaande uit universitair docent Yunzi Xin, masterstudent Kai Odachi en universitair hoofddocent Takashi Shirai, ontwikkelde een syntheseroute waarin visschubben die na reiniging uit visafval worden gehaald, in slechts enkele seconden worden omgezet in CNO's door middel van microgolfpyrolyse.

Maar hoe kunnen vissenschubben zo gemakkelijk worden omgezet in CNO's? Hoewel de exacte reden niet helemaal duidelijk is, denkt het team dat het te maken heeft met het collageen in vissenschubben, dat voldoende microgolfstraling kan absorberen om een ​​snelle temperatuurstijging te veroorzaken. Dit leidt tot thermische ontleding of "pyrolyse", waarbij bepaalde gassen worden geproduceerd die de assemblage van CNO's ondersteunen. Het opmerkelijke aan deze aanpak is dat er geen complexe katalysatoren, zware omstandigheden of lange wachttijden voor nodig zijn; de vissenschubben kunnen in minder dan 10 seconden worden omgezet in CNO's!

Bovendien levert dit syntheseproces CNO's op met een zeer hoge kristalliniteit. Dit is opmerkelijk moeilijk te realiseren in processen die biomassa-afval als uitgangsmateriaal gebruiken. Bovendien wordt tijdens de synthese het oppervlak van de CNO's selectief en grondig gefunctionaliseerd met (−COOH) en (−OH) groepen. Dit staat in schril contrast met het oppervlak van CNO's die zijn voorbereid met conventionele methoden, die doorgaans kaal zijn en via aanvullende stappen moeten worden gefunctionaliseerd.

Deze "automatische" functionalisering heeft belangrijke implicaties voor toepassingen van CNO's. Wanneer het CNO-oppervlak niet gefunctionaliseerd is, hebben de nanostructuren de neiging aan elkaar te kleven dankzij een aantrekkelijke interactie die bekend staat als pi−pi-stapeling. Dit maakt het moeilijk om ze in oplosmiddelen te dispergeren, wat nodig is in elke toepassing die op oplossingen gebaseerde processen vereist. Omdat het voorgestelde syntheseproces echter gefunctionaliseerde CNO's produceert, zorgt het voor een uitstekende dispergeerbaarheid in verschillende oplosmiddelen.

Nog een ander voordeel dat samenhangt met functionalisering en de hoge kristalliniteit, is dat van uitzonderlijke optische eigenschappen. Dr. Shirai legt uit dat "de CNO's een ultraheldere emissie van zichtbaar licht vertonen met een efficiëntie (of kwantumopbrengst) van 40%. Deze waarde, die nog nooit eerder is bereikt, is ongeveer 10 keer hoger dan die van eerder gerapporteerde CNO's die zijn gesynthetiseerd via conventionele methoden."

Om enkele van de vele praktische toepassingen van hun CNO's te demonstreren, demonstreerde het team het gebruik ervan in LED's en blauwlicht-emitterende dunne films. De CNO's produceerden een zeer stabiele emissie, zowel in vaste apparaten als wanneer ze werden gedispergeerd in verschillende oplosmiddelen, waaronder water, ethanol en isopropanol. "De stabiele optische eigenschappen zouden ons in staat kunnen stellen om emissieve flexibele films en LED-apparaten met een groot oppervlak te fabriceren", speculeert Dr. Shirai. "Deze bevindingen zullen nieuwe wegen openen voor de ontwikkeling van displays van de volgende generatie en solid-state verlichting."

Bovendien is de voorgestelde synthesetechniek milieuvriendelijk en biedt het een eenvoudige manier om visafval om te zetten in oneindig veel nuttigere materialen. Het team is van mening dat hun werk zou bijdragen aan de verwezenlijking van verschillende VN-doelstellingen voor duurzame ontwikkeling. Als CNO's hun weg vinden naar de volgende generatie LED-verlichting en QLED-displays, kunnen ze bovendien enorm helpen om hun productiekosten te verlagen. + Verder verkennen

Naar hoogwaardige mangaanoxidekatalysatoren met grote oppervlakten