06.08.2020 - Tokyo Institute of Technology

Template-freie Synthese von mesoporösen β-MnO2-Nanopartikeln

Weg, Form und Gestalt: Synthesebedingungen definieren die Nanostruktur von Mangandioxid

Wissenschaftler am Tokyo Institute of Technology erforschen eine neuartige und vereinfachte Methode zur Synthese von Mangandioxid mit einer spezifischen kristallinen Struktur namens β-MnO2. Ihre Studie wirft ein Licht darauf, wie verschiedene Synthesebedingungen Mangandioxid mit unterschiedlichen porösen Strukturen erzeugen können, und deutet auf eine Strategie zur Entwicklung hoch abgestimmter MnO2-Nanomaterialien hin, die als Katalysatoren bei der Herstellung von Biokunststoffen dienen könnten.

Die Werkstofftechnik ist an einem Punkt angelangt, an dem wir nicht nur über die chemische Zusammensetzung eines Materials besorgt sind, sondern auch über seine Struktur auf nanometrischer Ebene. Nanostrukturierte Materialien haben in letzter Zeit die Aufmerksamkeit von Forschern aus verschiedenen Bereichen auf sich gezogen, und das aus gutem Grund; ihre physikalischen, optischen und elektrischen Eigenschaften können abgestimmt und bis an die Grenze des Möglichen gesteigert werden, sobald Methoden zur Anpassung ihrer Nanostruktur zur Verfügung stehen.

Mangandioxid (chemische Formel MnO2) nanostrukturiertes Metalloxid, das viele verschiedene kristalline Strukturen bilden kann, mit Anwendungen in verschiedenen technischen Bereichen. Eine wichtige Verwendung von MnO2 ist die Verwendung als Katalysator für chemische Reaktionen, und eine besondere kristalline Struktur von MnO2, genannt β-MnO2, ist außergewöhnlich für die Oxidation von 5-Hydroxymethylfurfural zu 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA). Da FDCA zur Herstellung umweltfreundlicher Biokunststoffe verwendet werden kann, ist es entscheidend, Wege zu finden, die Nanostruktur von β-MnO2 so abzustimmen, dass die katalytische Leistung maximiert wird.

Die Herstellung von β-MnO2 ist jedoch im Vergleich zu anderen kristallinen MnO2-Strukturen schwierig. Die bestehenden Methoden sind kompliziert und beinhalten die Verwendung von Schablonenmaterialien, auf denen β-MnO2 "wächst" und nach mehreren Schritten die gewünschte Struktur erhält. Jetzt erforschen Forscher des Tokyo Institute of Technology unter der Leitung von Prof. Keigo Kamata einen Template-freien Ansatz für die Synthese verschiedener Arten von porösen β-MnO2-Nanopartikeln.

Ihre Methode, die in ihrer in ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlichten Studie beschrieben wird, ist außerordentlich einfach und bequem. Zunächst werden Mn-Vorläufer durch Mischen wässriger Lösungen und Ausfällen der Feststoffe gewonnen. Nach Filtration und Trocknung werden die gesammelten Feststoffe einer Temperatur von 400°C in normaler Luftatmosphäre ausgesetzt, ein Prozess, der als Kalzinierung bekannt ist. Während dieses Schritts kristallisiert das Material und das danach erhaltene Schwarzpulver ist zu mehr als 97% porös β-MnO2.

Vor allem fanden die Forscher heraus, dass dieses poröse β-MnO2 als Katalysator für die Synthese von FDCA viel effizienter ist als das β-MnO2, das mit einem weiter verbreiteten Ansatz, der als "hydrothermale Methode" bezeichnet wird, hergestellt wird. Um zu verstehen, warum, analysierten sie die chemischen, mikroskopischen und spektralen Eigenschaften von β-MnO2-Nanopartikeln, die unter verschiedenen Synthesebedingungen hergestellt wurden.

Sie fanden heraus, dass β-MnO2 je nach bestimmten Parametern deutlich unterschiedliche Morphologien annehmen kann. Insbesondere durch Einstellung des Säuregrades (pH) der Lösung, in der die Vorläufer gemischt werden, können β-MnO2-Nanopartikel mit großen sphärischen Poren erhalten werden. Diese poröse Struktur hat eine grössere Oberfläche und bietet somit eine bessere katalytische Leistung. Begeistert über die Ergebnisse bemerkt Kamata: "Unsere porösen β-MnO2-Nanopartikel könnten die Oxidation von HMF zu FDCA effizient katalysieren, in scharfem Kontrast zu β-MnO2-Nanopartikeln, die über die hydrothermale Methode erhalten wurden. Eine weitere Feinsteuerung der Kristallinität und/oder porösen Struktur von β-MnO2 könnte zur Entwicklung noch effizienterer Oxidationsreaktionen führen".

Darüber hinaus lieferte diese Studie viele Erkenntnisse darüber, wie poröse und Tunnelstrukturen in MnO2 gebildet werden, was, wie Kamata erklärt, der Schlüssel zur Erweiterung seiner Anwendungen sein könnte: "Unser Ansatz, bei dem die Umwandlung von Mn-Vorläufern in MnO2 nicht in der Flüssigphase (hydrothermale Methode), sondern unter Luftatmosphäre erfolgt, ist eine vielversprechende Strategie für die Synthese verschiedener MnO2-Nanopartikel mit Tunnelstrukturen. Diese könnten als vielseitige Funktionsmaterialien für Katalysatoren, chemische Sensoren, Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren eingesetzt werden". Weitere Studien wie diese werden es uns hoffentlich eines Tages ermöglichen, das volle Potenzial, das nanostrukturierte Materialien zu bieten haben, zu nutzen.

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