Síntesis sin plantillas de nanopartículas mesoporosas β-MnO2
Camino, forma y forma: Las condiciones de síntesis definen la nanoestructura del dióxido de manganeso
Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio exploran un método novedoso y simplista para sintetizar el dióxido de manganeso con una estructura cristalina específica llamado β-MnO2. Su estudio arroja luz sobre la forma en que las diferentes condiciones de síntesis pueden producir dióxido de manganeso con estructuras porosas distintas, lo que apunta a una estrategia para el desarrollo de nanomateriales de MnO2 altamente afinados que podrían servir como catalizadores en la fabricación de bioplásticos.
Aceleración de la reacción química por medio de un catalizador β-MnO2 en el nanoespacio de las partículas.
Keiko Kamata, Tokyo Institute of Technology
La ingeniería de materiales ha avanzado hasta un punto en el que no sólo nos preocupa la composición química de un material, sino también su estructura a nivel nanométrico. Los materiales nanoestructurados han llamado recientemente la atención de los investigadores de diversos campos y por buenas razones; sus características físicas, ópticas y eléctricas pueden ser afinadas y llevadas al límite una vez que se disponga de métodos para adaptar su nanoestructura.
Dióxido de manganeso (fórmula química MnO2) óxido metálico nanoestructurado que puede formar muchas estructuras cristalinas diferentes, con aplicaciones en varios campos de la ingeniería. Un uso importante del MnO2 es como catalizador de reacciones químicas, y una estructura cristalina particular del MnO2, llamada β-MnO2, es excepcional para la oxidación del 5-hidroximetilfurfural en ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA). Debido a que el FDCA puede utilizarse para producir bioplásticos respetuosos con el medio ambiente, es crucial encontrar formas de afinar la nanoestructura de β-MnO2 para maximizar su rendimiento catalítico.
Sin embargo, producir β-MnO2 es difícil en comparación con otras estructuras cristalinas de MnO2. Los métodos existentes son complicados e implican el uso de materiales de plantilla sobre los que β-MnO2 "crece" y termina con la estructura deseada después de varios pasos. Ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio dirigidos por el Prof. Keigo Kamata exploran un enfoque sin plantillas para la síntesis de diferentes tipos de nanopartículas porosas β-MnO2.
Su método, descrito en su estudio publicado en ACS Applied Materials & Interfaces, es extraordinariamente simple y conveniente. En primer lugar, los precursores de Mn se obtienen mezclando soluciones acuosas y dejando que los sólidos se precipiten. Después de la filtración y el secado, los sólidos recolectados se someten a una temperatura de 400°C en una atmósfera de aire normal, proceso conocido como calcinación. Durante este paso, el material se cristaliza y el polvo negro que se obtiene después es más del 97% poroso β-MnO2.
Lo más notable es que los investigadores encontraron que este β-MnO2 poroso es mucho más eficiente como catalizador para sintetizar el FDCA que el β-MnO2 producido usando un enfoque más extendido llamado "método hidrotérmico". Para entender por qué, analizaron las características químicas, microscópicas y espectrales de las nanopartículas de β-MnO2 producidas bajo diferentes condiciones de síntesis.
Descubrieron que β-MnO2 puede adoptar morfologías marcadamente diferentes según ciertos parámetros. En particular, ajustando la acidez (pH) de la solución en la que se mezclan los precursores, se pueden obtener nanopartículas de β-MnO2 con grandes poros esféricos. Esta estructura porosa tiene una mayor superficie, lo que proporciona un mejor rendimiento catalítico. Entusiasmado con los resultados, Kamata observa: "Nuestras nanopartículas porosas β-MnO2 podrían catalizar eficazmente la oxidación del HMF en FDCA, en claro contraste con las nanopartículas β-MnO2 obtenidas por el método hidrotérmico. Un mayor control fino de la cristalinidad y/o la estructura porosa de β-MnO2 podría conducir al desarrollo de reacciones oxidativas aún más eficientes".
Además, este estudio proporcionó mucha información sobre cómo se forman las estructuras porosas y de túnel en el MnO2, lo que podría ser clave para ampliar sus aplicaciones, como afirma Kamata: "Nuestro enfoque, que implica la transformación de los precursores del Mn en MnO2 no en la fase líquida (método hidrotérmico) sino bajo una atmósfera de aire, es una estrategia prometedora para la síntesis de varias nanopartículas de MnO2 con estructuras de túnel. Éstas podrían ser aplicables como materiales funcionales versátiles para catalizadores, sensores químicos, baterías de iones de litio y supercapacitores". Se espera que estudios adicionales como este nos permitan algún día aprovechar todo el potencial que los materiales nanoestructurados tienen para ofrecer.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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