Ценный наноматериал из рыбных отходов

Процедура синтеза, разработанная учеными NITech, может преобразовать рыбью чешую, полученную из рыбных отходов, в полезный наноматериал на основе углерода. В их подходе используются микроволны для термического разрушения чешуек посредством пиролиза менее чем за 10 секунд, в результате чего получаются углеродные нанолуковицы беспрецедентного качества по сравнению с теми, что получают традиционными методами. Фото: Такаси Шираи из NITech, Япония.

Синтез углерода из рыбьей чешуи

Исследователи создают простой, быстрый и энергоэффективный подход к синтезу качественных углеродных нанолуков из рыбьей чешуи.

Наноматериалы на основе углерода все чаще используются в электронике, преобразовании и хранении энергии, катализе и биомедицине из-за их низкой токсичности, химической стабильности и исключительных электрических и оптических свойств. CNO, или углеродные нанолуковицы, ни в коем случае не являются исключением. CNO, впервые описанные в 1980 году, представляют собой наноструктуры, состоящие из концентрических оболочек фуллеренов, которые напоминают клетки внутри клеток. Они обладают несколькими желательными качествами, включая большую площадь поверхности и высокую электрическую и тепловую проводимость.

К сожалению, использование традиционных способов получения CNO также имеет существенные недостатки. Некоторые требуют жестких условий синтеза, включая высокие температуры или вакуум, в то время как другие требуют много времени и энергии. Хотя некоторые методы могут выходить за эти ограничения, они по-прежнему требуют сложных катализаторов, дорогих источников углерода или потенциально опасных кислотных или щелочных условий. Это сильно ограничивает потенциал CNO.

К счастью, надежда еще есть. Группа исследователей из Нагойского технологического института в Японии недавно открыла простой и легкий способ превращения рыбных отходов в чрезвычайно высококачественные CNO. Их выводы были недавно опубликованы в журнале Green Chemistry . Группа, в которую входили доцент Такаши Шираи, магистрант Кай Одати и доцент Юнзи Синь, создали метод синтеза, при котором рыбья чешуя, извлеченная из рыбных отходов после очистки, быстро превращается в CNO путем микроволнового пиролиза.

(Слева) Схема, изображающая синтез углеродных нанолуковиц посредством микроволнового пиролиза рыбьей чешуи. На верхней вставке показано повышение температуры рыбьей чешуи из-за поглощения микроволн в течение 10 секунд, а также предполагаемый механизм образования углеродных нанолуковиц. (Справа) изображения просвечивающей электронной микроскопии, показывающие морфологию синтезированных углеродных нанолуковиц и фотографии дисперсии CNO в этаноле, излучающей гибкой пленки и светодиода, содержащего CNO. Фото: Такаси Шираи из NITech, Япония.

Но как рыбья чешуя может так легко превращаться в CNO?

Хотя точная причина не совсем ясна, команда считает, что она связана с коллагеном, содержащимся в рыбьей чешуе, который может поглощать достаточное количество микроволнового излучения для быстрого повышения температуры. Это приводит к термическому разложению или «пиролизу», при котором образуются определенные газы, поддерживающие сборку CNO.

Что примечательно в этом подходе, так это то, что он не требует сложных катализаторов, суровых условий или длительного времени ожидания; рыбья чешуя может быть преобразована в CNO менее чем за 10 секунд!

Кроме того, этот процесс синтеза дает CNO с очень высокой степенью кристалличности. Этого чрезвычайно трудно достичь в процессах, в которых в качестве исходного материала используются отходы биомассы. Кроме того, во время синтеза поверхность CNO избирательно и тщательно функционализируется группами (-COOH) и (-OH). Это резко контрастирует с поверхностью CNO, приготовленной традиционными методами, которая обычно является голой и должна быть функционализирована с помощью дополнительных этапов.

Эта «автоматическая» функционализация имеет важные последствия для приложений CNO. Когда поверхность CNO не функционализирована, наноструктуры имеют тенденцию слипаться из-за взаимодействия притяжения, известного как стопка пи-пи. Это затрудняет их диспергирование в растворителях, что необходимо для любого применения, требующего процессов на основе растворов. Однако, поскольку предлагаемый процесс синтеза дает функционализированные CNO, он обеспечивает отличную диспергируемость в различных растворителях.

Еще одним преимуществом, связанным с функционализацией и высокой степенью кристалличности, являются исключительные оптические свойства. Доктор Шираи объясняет: «CNO демонстрируют сверхяркое излучение видимого света с эффективностью (или квантовым выходом) 40%. Это значение, которое никогда раньше не достигалось, примерно в 10 раз выше, чем у ранее зарегистрированных CNO, синтезированных традиционными методами».

• Чтобы продемонстрировать некоторые из многих практических применений своих CNO, команда продемонстрировала их использование в светодиодах и тонких пленках, излучающих синий свет. CNO давали высокостабильную эмиссию как внутри твердых устройств, так и при диспергировании в различных растворителях, включая воду, этанол и изопропанол.
• «Стабильные оптические свойства могут позволить нам изготавливать излучающие гибкие пленки большой площади и светодиодные устройства», — полагает доктор Шираи. «Эти результаты откроют новые возможности для разработки дисплеев следующего поколения и твердотельного освещения».
• Кроме того, предлагаемый метод синтеза является экологически чистым и обеспечивает простой способ преобразования рыбных отходов в бесконечно более полезные материалы. Команда считает, что их работа будет способствовать достижению нескольких Целей ООН в области устойчивого развития. Кроме того, если CNO появятся в светодиодном освещении следующего поколения и QLED-дисплеях, они могут значительно снизить свои производственные затраты.

Будем надеяться, что усилия этих ученых склонят чашу весов в пользу CNO для более практических применений!

Источник

Метки: Наноматериалы