ماده معجزه‌آسای ایرانی برای ذخیره انرژی و تصفیه آب
به گزارش صنایع نو، تیمی از پژوهشگران و محققان نخبه در دانشگاه زنجان، با تمرکز بر مرزهای دانش علم مواد پیشرفته، به بررسی دقیق و سنتز چارچوب‌های آلی-فلزی مبتنی بر سریم (Ce-MOFs) پرداخته‌اند. این مواد، که در رده پیشرفته‌ترین مواد نانومتخلخل دسته‌بندی می‌شوند، به دلیل برخورداری از ساختارهای مهندسی‌شده، مساحت سطحی بسیار بالا و قابلیت‌های واکنشی منحصر به فرد در برابر محرک‌های محیطی، به عنوان کاندیدایی ایده‌آل برای تحول در حوزه‌های کاتالیست، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، جذب و جداسازی گازها، و فناوری‌های تصفیه آب مورد توجه جهانی قرار گرفته‌اند.
این تحقیقات نه تنها در جستجوی کشف ساختارهای بلوری جدید و ناشناخته از این خانواده از مواد است، بلکه با نوآوری قابل توجه، بر توسعه و بهینه‌سازی روش‌های سازگار با محیط زیست (سنتز سبز) برای تولید صنعتی و انبوه این نانومواد ارزشمند نیز تأکید دارد. این رویکرد، گذر از آزمایشگاه به سمت صنعت را تسهیل می‌کند.
چارچوب‌های آلی-فلزی (MOFs) بدون شک یکی از مهم‌ترین و هیجان‌انگیزترین پیشرفت‌های علمی در عرصه علم مواد در دهه‌های اخیر به شمار می‌روند. این مواد به لطف طراحی ساختاری منحصر به فرد و قابلیت tuning شیمیایی، پتانسیل ایجاد انقلابی در کاربردهای گسترده‌ای از جمله ذخیره‌سازی گازهای مهم مانند هیدروژن، جداسازی انتخابی مولکول‌ها، کاتالیست فرآیندهای شیمیایی پیچیده و حتی ساخت نسل جدیدی از فیلترهای تصفیه آب را در خود جای داده‌اند.
در میان خیل عظیم انواع مختلف MOFها، چارچوب‌های مبتنی بر عنصر سریم (Ce-MOFs) به دلیل ویژگی‌های الکترونی خاص و توانایی منحصر به فرد element سریم در تغییر حالت اکسیداسیون (بین Ce(III) و Ce(IV))، از جایگاه ویژه‌ای برخوردارند. این ویژگی، آن‌ها را به موادیدی ایده‌آل برای کاربردهای مرتبط با کاتالیست، حسگری و ذخیره انرژی تبدیل کرده است.
گروه تحقیقاتی دانشگاه زنجان با درک این پتانسیل، تمام تلاش خود را به کار گرفته‌اند تا با ابداع روش‌های نوین سنتز و بهینه‌سازی، این مواد را برای کاربردهای خاص و سفارشی طراحی کنند. علاوه بر این، آن‌ها به واکاوی عمیق چالش‌ها، موانع و همچنین چشم‌اندازهای پیشِ روی استفاده از این مواد در شرایط واقعی و صنعتی پرداخته‌اند.
در این پژوهش جامع، Ce-MOFها بر اساس حالت‌های مختلف اکسیداسیون سریم (Ce(III) و Ce(IV)) به طور مفصل دسته‌بندی و مورد بررسی مقایسه‌ای قرار گرفته‌اند. این تغییرات در عدد اکسایش، تأثیر مستقیمی بر ساختار کریستالی، پایداری حرارتی و شیمیایی، و در نهایت خواص عملکردی این مواد داشته و دامنه وسیعی از پتانسیل‌های صنعتی را برای آن‌ها به ارمغان می‌آورد.
یافته‌های این مطالعه به وضوح نشان می‌دهند که ترکیب هدفمند سریم با سایر یون‌های فلزی و همچنین انتخاب هوشمندانه لیگاندهای آلی می‌تواند به خلق ساختارهای کاملاً جدیدی با خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد و قابل تنظیم منجر شود.
یکی از درخشان‌ترین جنبه‌های این کار تحقیقاتی، توسعه روش‌های سنتز سبز و دوستدار محیط زیست برای تولید Ce-MOFها تحت شرایط ملایم و به صرفه است. این روش‌های نوآورانه نه تنها منجر به کاهش چشمگیر هزینه‌های تولید می‌شوند، بلکه امکان تولید در مقیاس بزرگ و صنعتی این نانومواد را نیز برای اولین بار به صورت جدی فراهم می‌آورند. در این تحقیق، عوامل کلیدی مؤثر بر سنتز، از جمله تغییر در شرایط واکنش (دما، فشار، حلال)، انتخاب نوع لیگاندهای آلی و مهندسی دقیق ساختارهای بلوری به طور سیستماتیک مورد مطالعه و بهینه‌سازی قرار گرفته‌اند.
کاربردهای گسترده و transformational چارچوب‌های Ce-MOFs:
کاتالیست و فوتوکاتالیست: ساختار متخلخل و سایت‌های فعال فراوان در Ce-MOFs، آن‌ها را به کاتالیزورهایی بسیار کارآمد و انتخابی برای انواع واکنش‌های شیمیایی تبدیل کرده است. در این پژوهش، قابلیت استفاده از این مواد در فرآیندهای فتوشیمیایی پیشرفته و تبدیل کارآمد انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی مورد بررسی و تأیید قرار گرفته است.
ذخیره‌سازی انرژی و تبدیل انرژی: به دلیل ویژگی‌های ساختاری استثنایی، Ce-MOFs می‌توانند نقش حیاتی در ذخیره‌سازی ایمن و با چگالی بالا گازهایی مانند هیدروژن و متان به عنوان حامل‌های انرژی آینده ایفا کنند. همچنین، کاربرد این مواد در بهینه‌سازی فرایندهای الکتروشیمیایی مانند باتری‌ها و ابرخازن‌ها مورد مطالعه قرار گرفته است.
جذب و جداسازی گاز: با تکیه بر تخلخل بالا و خاصیت جذب سطحی فوق العاده، این مواد می‌توانند به عنوان جاذب‌هایی بسیار کارآمد برای جداسازی و حذف گازهای آلاینده مانند دی‌اکسیدکربن (CO₂) از جریان‌های گازی صنعتی یا حتی جداسازی نیتروژن و اکسیژن از هوا مورد استفاده قرار گیرند.
تصفیه آب و فاضلاب: یکی از کاربردی‌ترین و مهم‌ترین زمینه‌های بهره‌برداری از Ce-MOFs، استفاده از آن‌ها به عنوان فیلترها یا جاذب‌های نسل جدید برای تصفیه عمیق آب و فاضلاب است. این مواد قادر به حذف مؤثر آلاینده‌های خطرناک از جمله یون‌های فلزات سنگین و ترکیبات آلی پایدار هستند.
حسگری شیمیایی و تشخیص: ویژگی‌های نوری و الکترونی منحصر به فرد Ce-MOFs، امکان استفاده از آن‌ها را در ساخت حسگرهای شیمیایی بسیار حساس و انتخابی فراهم کرده است. از این حسگرها می‌توان برای پایش لحظه‌ای آلاینده‌های محیطی، تشخیص مواد منفجره یا شناسایی بیومولکول‌ها در حوزه پزشکی بهره برد.
با وجود تمامی این پتانسیل‌های فراوان و امیدوارکننده، چالش‌ها و موانع مهمی بر سر راه تجاری‌سازی و به کارگیری گسترده Ce-MOFها در صنعت وجود دارد. از جمله این چالش‌ها می‌توان به هزینه‌های نسبتاً بالا در تولید در مقیاس بسیار بزرگ، پایداری محدود برخی از این ساختارها در برابر رطوبت یا دماهای بالا، و همچنین نیاز به تحقیقات بیشتر برای بهینه‌سازی نهایی فرآیندهای سنتز اشاره کرد. به منظور غلبه بر این موانع، تحقیقات آینده باید با شدت بیشتری بر روی بهبود روش‌های سنتز، افزایش مقاومت و پایداری این مواد در شرایط عملیاتی سخت و همچنین کشف ترکیبات کامپوزیتی جدید متمرکز شوند
نظرات کاربران
هنوز نظری ثبت نشده است.