Op polyoxometalaat (POM) gebaseerde nanohybriden bieden potentieel een stapsgewijze verandering in duurzaamheid in een grote verscheidenheid aan industrieën, maar het onderzoek naar deze stoffen staat nog in de kinderschoenen. Een groep onderzoekers heeft een alomvattend overzicht gemaakt van de vooruitgang van de sector en van de uitdagingen die nog overwonnen moeten worden.

Een nieuwe klasse hybride materialen op nanoschaal heeft het potentieel om de duurzaamheid van energiesystemen, transport, biosensoren, waterzuivering en zelfs 3D-printen te verbeteren, maar het veld is nog erg jong. Een groep onderzoekers heeft nu een gedetailleerd overzicht gemaakt van de stand van zaken op het gebied van op polyoxometalaat (POM) gebaseerde nanohybriden, waarmee een pad wordt uitgestippeld voor onderzoek in dit baanbrekende domein van de materiaalwetenschap.

Een overzichtsartikel waarin hun bevindingen werden beschreven, werd gepubliceerd in het tijdschrift Polyoxometalates op 30 september.

In de afgelopen decennia is er een nieuwe klasse materialen op nanoschaal, of eenvoudiger gezegd nanomaterialen, ontstaan ​​waarin een enkele eenheid afmetingen heeft in het bereik van 1 tot 100 nanometer. Op deze schaal kunnen materialen unieke en vaak verbeterde fysische, chemische en biologische eigenschappen vertonen die verschillen van massievere of 'bulk'-materialen. Materialen op nanoschaal kunnen bijvoorbeeld een hogere verhouding tussen oppervlakte en volume hebben, waardoor hun reactiviteit en het vermogen om chemische reacties te katalyseren (op gang te brengen of te versnellen) kunnen toenemen.

Misschien wel het meest bekende nanomateriaal is grafeen, maar nanomaterialen kunnen worden opgebouwd uit een breed scala aan stoffen, waaronder metalen, halfgeleiders, keramiek en polymeren. Meer recentelijk hebben onderzoekers ook nanohybriden ontwikkeld. Dit zijn stoffen die twee of meer verschillende soorten nanomaterialen combineren.

Van bijzonder belang voor onderzoekers, vooral degenen die de industriële productie duurzamer willen maken, zijn op polyoxometalaat (POM) gebaseerde nanohybriden, die unieke katalytische eigenschappen hebben binnen foto-elektrochemische reacties – die elektriciteit opwekken uit licht, of water splitsen in schoon geproduceerde waterstof en zuurstof. . Dit maakt de POM-nanohybriden veelbelovende kandidaten voor een breed scala aan toepassingen, waaronder de conversie en opslag van schone energie, evenals sensoren en elektronica die niet afhankelijk zijn van het gebruik van vuile energiebronnen.

POM's vormen een zeer grote klasse goedkope en stabiele anorganische verbindingen die bestaan ​​uit metaalionen, meestal overgangsmetalen zoals wolfraam of molybdeen, met elkaar verbonden door zuurstofatomen om een ​​driedimensionaal netwerk te vormen. POM's zijn doorgaans grote, complexe moleculen die een breed scala aan vormen en afmetingen kunnen hebben, en ze vertonen een verscheidenheid aan interessante en nuttige eigenschappen.

"Er is de afgelopen jaren een explosie van onderzoek naar POM-nanohybriden geweest, en daarom vonden we het tijd om te pauzeren en een overzicht te maken van de huidige stand van zaken om potentiële onderzoekslacunes en controverses te identificeren", zegt Guangjin Zhang, corresponderende auteur van het overzichtsartikel en een chemicus bij het Key Laboratory of Green Process and Engineering van de Chinese Academies van Wetenschappen.

Wetenschappelijke overzichtsartikelen zijn een essentieel onderdeel van het wetenschappelijke proces en hebben tot doel de huidige stand van de kennis over een bepaald onderwerp in een bepaald wetenschapsgebied samen te vatten en kritisch te evalueren, de kwaliteit en betrouwbaarheid van de bestaande literatuur te beoordelen en toekomstige onderzoeksrichtingen voor te stellen.

De auteurs van de review concluderen in hun review dat wat POM’s zo aantrekkelijk maakt, is hoe ze de foto-elektrochemische katalytische eigenschappen van het resulterende nanohybride materiaal kunnen verbeteren. Dit komt omdat POM's kunnen fungeren als zowel elektronenacceptoren als donoren, waardoor ze de overdracht van elektrische lading kunnen vergemakkelijken en de efficiëntie van de relevante reacties kunnen verbeteren. Beter nog:POM's kunnen zelf ook als katalysator fungeren, waardoor de katalytische eigenschappen van het nanohybride materiaal verder worden verbeterd.

De review verklaart ook het verschil tussen binaire en ternaire POM-gebaseerde nanohybriden, waarbij de eerste bestaat uit twee functionele materialen op nanoschaal en de laatste uit drie. De binaire nanohybriden combineren POM en een metaal, POM en een halfgeleider, of POM en een nanokoolstof, terwijl ternaire nanohybriden een POM, een metaal en een nanokoolstof combineren.

De auteurs merken op dat binaire nanohybriden uitgebreid zijn bestudeerd en veelbelovende resultaten hebben laten zien in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder fotokatalyse, brandstofcellen en biosensoren. Ternaire nanohybriden hebben ondertussen het potentieel om de unieke eigenschappen van drie verschillende materialen te combineren, wat resulteert in een nog grotere functionaliteit en veelzijdigheid.

Een van de meest veelbelovende onderzoeksgebieden naar op POM gebaseerde nanohybriden van beide typen komt voort uit hun gebruik bij fotokatalyse, waarbij licht wordt gebruikt om chemische reacties aan te sturen. Op POM gebaseerde nanohybriden hebben het potentieel om de efficiëntie van fotokatalytische reacties te verbeteren, wat belangrijke toepassingen zou kunnen hebben op gebieden zoals de conversie van zonne-energie en milieusanering. De nanohybriden kunnen ook worden toegepast in brandstofcellen, apparaten die chemische energie omzetten in elektrische energie, zoals bijvoorbeeld in waterstofvervoer. Op POM gebaseerde nanohybriden hebben het potentieel om de efficiëntie en duurzaamheid van brandstofcellen te verbeteren.

Een ander gebied dat geen verband houdt met duurzame energie en waar op POM gebaseerde nanohybriden veelbelovend zijn, betreft de toepassing ervan in biosensoren, apparaten die biologische of chemische stoffen in een monster detecteren en meten via veranderingen in elektrische signalen als gevolg van biochemische reacties. Het grote oppervlak van de nanohybriden en het vermogen om biomoleculen te immobiliseren, maken ze onder meer bijzonder geschikt voor gebruik in dergelijke apparaten.

Onderzoekers hebben op POM gebaseerde nanohybriden al gebruikt om biosensoren te ontwikkelen die stoffen als simazine en waterstofperoxide met hoge gevoeligheid kunnen detecteren. Deze biosensoren kunnen in een breed scala aan toepassingen worden gebruikt, van medische diagnostiek tot omgevingsmonitoring. Andere opkomende toepassingen zijn onder meer waterzuivering, halfgeleiders en 3D-printen.

Een van de belangrijkste uitdagingen waarmee onderzoekers op dit gebied worden geconfronteerd, is dat hoewel ternaire POM-gebaseerde nanohybriden nog betere prestaties bieden, het onderzoek momenteel nog in de kinderschoenen staat, met een beperkter begrip van de eigenschappen en het gedrag van ternaire nanohybriden. Hun potentiële toepassingen worden nog steeds onderzocht en er kunnen uitdagingen zijn in verband met de ontwikkeling en optimalisatie van ternaire nanohybriden voor specifieke toepassingen. Bovendien kan voor alle soorten POM-nanohybriden de oplosbaarheid van POM-moleculen in de hybriden hun prestaties als katalysator verminderen. Ook de niet-uniforme verspreiding ervan op en in geleidende stoffen blijft een hardnekkig probleem, en in combinatie met metalen of metaaloxiden is controle over de grootte en vorm van de deeltjes moeilijk.

De auteurs stellen dat een grotere focus op een fundamenteel begrip van de relatie tussen de structuur van de hybriden en hun chemische activiteit zou moeten helpen bij het overwinnen van deze obstakels voor bredere toepassingen, en roepen op tot bredere samenwerking tussen verschillende disciplines om dit te bereiken.

Meer informatie: Shuangshuang Zhang et al., Ontwerp en synthese van nieuwe op polyoxometalaat gebaseerde binaire en ternaire nanohybriden voor energieconversie en -opslag, Polyoxometalaten (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140037

Aangeboden door Tsinghua University Press