Andamios HAp polarizados a nanoescala como alternativas de catalizador verde

Andamios HAp polarizados a nanoescala como alternativas de catalizador verde


Un equipo de investigadores publicó recientemente un artículo en la revista ACS Applied Nano Materials lo que demuestra la viabilidad de utilizar hidroxiapatita polarizada nanoporosa (HApag) Andamios como catalizadores verdes en reacciones químicas.

Andamios de hidroxiapatita polarizada a nanoescala como alternativas de catalizador verde​​​​​​

​​​​​​Estudio: Andamios de hidroxiapatita nanoporosa a medida para catálisis electrotérmica. Crédito de la foto: Artur Wnorowski/Shtuterstock.com

Importancia de los nanocatalizadores

Confinar las reacciones químicas a escalas nano y micro ofrece varias ventajas, como el control de la transferencia de masa y calor y una mayor relación superficie-volumen, lo que da como resultado una eficiencia mejorada y una selectividad final. Por lo tanto, el desarrollo de nanocatalizadores y nanorreactores en forma de estructuras porosas o huecas ha recibido una atención considerable.

Significado de HApag Los catalizadores y sus limitaciones.

Recientemente HApag Los catalizadores utilizados para la conversión de la fijación de carbono y nitrógeno en moléculas de valor agregado en condiciones de reacción suaves mostraron un comportamiento de selectividad excepcional, lo que indica la viabilidad de HApag como una alternativa económica y respetuosa con el medio ambiente a los catalizadores convencionales.

Activación catalítica de HApag se realizó utilizando un tratamiento de polarización estimulado térmicamente (TSP) en HA sinterizadopag gránulos Aunque el tratamiento TSP impartió propiedades electroquímicas y eléctricas al HA sinterizadopagla estructura poco porosa de la HApag Los catalizadores limitaron su eficiencia catalítica y el rendimiento general de las reacciones.

HA nanoporoso polarizadopag Los catalizadores como posible solución

La HApag Los andamios desarrollados recientemente para aplicaciones de filtración de aire e ingeniería de tejidos representan un enfoque prometedor para el diseño de catalizadores tridimensionales (3D) con mayor área de superficie específica.

La tecnología de impresión 3D ha cobrado protagonismo debido a su capacidad para modelar la arquitectura y controlar las dimensiones, la forma de los poros, el tamaño de los poros y la porosidad de las muestras, lo que permite distinguir entre microporos y macroporos.

La impresión 3D por escritura directa con tinta/extrusión de material robótico se ha explorado ampliamente para aplicaciones biológicas para crear HA imprimible personalizadopag Tintas mediante la adición de polímeros biocompatibles adecuados en función de las necesidades de cada aplicación.

Sin embargo, la selección de un polímero adecuado puede ser extremadamente difícil, ya que tanto los polímeros sintéticos como los biopolímeros naturales tienen ciertas desventajas para la síntesis de HA imprimible.pag tintas Por lo tanto, se debe identificar un aditivo adecuado para crear HA nanoporoso 3D personalizadopag y catalizadores polarizados.

El aditivo polimérico debe tener propiedades reológicas adecuadas para controlar con precisión la porosidad y la arquitectura final de las muestras sin afectar su estructura cristalina. Además, el aditivo debe eliminarse mediante el proceso de sinterización después de que se forme HA.pag andamios sin comprometer su estabilidad mecánica y dimensional.

El hidrogel Pluronic F-127 se utilizó en un estudio reciente para fabricar estructuras de óxido de circonio estabilizado con itria altamente porosas impresas en 3D que cumplen con todas las condiciones mencionadas anteriormente. Por lo tanto, en este estudio, los investigadores seleccionaron hidrogeles de Pluronic para controlar la porosidad y la arquitectura final de HA.pag Andamios para fabricar HA polarizado altamente nanoporosopag catalizadores.

Fabricación y evaluación de HA nanoporoso polarizado en 3Dpag catalizadores

En este estudio, los investigadores fabricaron HA polarizado nanoporoso 3Dpag Catalizadores por primera vez utilizando hidrogel Pluronic F-127 y evaluando su eficiencia catalítica.

Fabricación de andamios HAp nanoporosos 3D

DECIR AHpag El polvo obtenido por el método hidrotermal se liofilizó durante 72 horas para eliminar el contenido de agua. Pluronic F-127 se mezcló con agua para hacer el hidrogel.

entonces hapag Se obtuvieron tintas con diferentes concentraciones de hidrogel Pluronic en forma de pasta blanca añadiendo lentamente el hidrogel al HApag Pulverice y luego agite enérgicamente la mezcla con un mezclador vórtex digital Fisherbrand a una temperatura de cuatro grados centígrados.

A continuación, la pasta blanca se envejeció durante 24 horas a cuatro grados centígrados para garantizar una distribución homogénea del hidrogel Pluronic F-127. finalmente hapag Las tintas se modelaron utilizando el proceso de impresión 3D a baja temperatura para fabricar el HA nanoporoso 3Dpag Andamios con arquitectura individual.

Luego, los andamios se sinterizaron a 1000 grados Celsius durante dos horas para eliminar el contenido de hidrogel. La muestra finalmente obtenida se denominó x-HApagdonde x es el porcentaje de masa de hidrogel Pluronic en el andamio.

Evaluación del andamio fabricado

Se utilizaron microscopía Raman, difracción de rayos X de gran angular (WAXD), análisis de rayos X de dispersión de energía (EDX) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para caracterizar estructuralmente el HA nanoporoso 3D.pag andamio.

Se utilizó un equipo de medición del ángulo de contacto para obtener las capacidades de absorción de agua. Las propiedades mecánicas del HA fabricadopag Los andamios, como el módulo de Young y la dureza, se midieron a nivel nanométrico utilizando la técnica de nanoindentación.

Activación catalítica de HApag Andamios y su evaluación de desempeño

El HA nanoporosopag Los andamios se activaron catalíticamente usando el tratamiento con TSP. Los investigadores también sintetizaron HA convencionalpag Catalizadores y comparó el rendimiento catalítico de HA convencional y nanoporosopag Catalizadores para diversas reacciones de fijación de nitrógeno y carbono.

Estas reacciones incluyen la síntesis de amoniaco a partir de nitrógeno gaseoso, la producción de etanol a partir de mezclas de gas metano y dióxido de carbono y la síntesis de aminoácidos a partir de mezclas de metano, dióxido de carbono y nitrógeno gaseoso.

El HA convencional y nanoporoso catalíticamente activadopag Los catalizadores se han utilizado como reactores inertes en las reacciones de fijación de nitrógeno y carbono. Se aplicaron recubrimientos auxiliares a los catalizadores durante la producción de aminoácidos para obtener aminoácidos a partir de la fijación de nitrógeno y carbono. Resonancia magnética nuclear de protones (1Se usó espectroscopía de RMN H para cuantificar los rendimientos de estas reacciones.

importancia del estudio

AH nanoporoso 3Dpag Los andamios arquitectónicamente combinados se fabricaron con éxito mezclando hidrogel Pluronic F-127 y HApag Polvo. Se encontró que un hidrogel de Pluronic F-127 al 60 % en peso era adecuado para la producción de HApag Tinta debido a su buen control sobre la porosidad y el tamaño de poro sin comprometer la estabilidad mecánica de los andamios producidos.

La HApag Tinta con óptimas propiedades de pasta obtenida a partir de la mezcla al 60% en peso de Pluronic F-127 Hydrogel y HApag Polvo (60-HApag) cumplió con los requisitos de impresión 3D. Se garantizó una estabilidad mecánica suficiente de los andamios fabricados mediante la sinterización a altas temperaturas.

Sinterizado 60-HApag Las estructuras mostraron una alta cristalinidad y pureza, lo que indica una deshidratación eficiente de las estructuras después de la sinterización. Por lo tanto, la adición de hidrogel Pluronic F127 para hacer tintas imprimibles y los nanoporos que creó no afectó la estructura de andamiaje utilizada para hacer HA polarizado.pag-basados ​​en catalizadores.

El aminotris(ácido metilenfosfónico) (ATMP)/cloruro de circonilo (ZC)/recubrimiento de ATMP en el nanoporoso polarizado 60-HApag El catalizador durante la producción de aminoácidos redujo su eficiencia catalítica ya que los nanoporos creados por la incorporación de hidrogel Pluronic fueron completamente bloqueados por las capas de recubrimiento, lo que resultó en una reducción significativa en el rendimiento de la reacción en comparación con el HA no poroso tradicional.pag Catalizador.

El 60-HA sin recubrimientopag Los catalizadores con alta nanoporosidad mostraron un aumento excepcional en el rendimiento de la reacción debido a una mayor área de superficie expuesta y una mejor capacidad de absorción de agua.

Los rendimientos de la reacción se obtuvieron usando 60-HApag El catalizador durante la reacción de fijación de nitrógeno para producir amoníaco y la reacción de fijación de carbono para producir etanol fueron un 2000 por ciento y un 3000 por ciento más altos que el HA convencional no porosopag Catalizador. Los microhuecos presentes en el nanoporoso 60-HApag Los catalizadores promovieron los procesos catalíticos heterogéneos utilizados para la producción de amoníaco y etanol.

Tomados en conjunto, los resultados de este estudio demostraron que el 60-HA basado en andamios nanoporosos sin recubrimientopag Los catalizadores tienen excelentes propiedades catalíticas y un importante potencial de escalabilidad. Por lo tanto, estos catalizadores se pueden utilizar como una alternativa más económica, robusta y respetuosa con el medio ambiente a los catalizadores tradicionales en reacciones químicas, especialmente en reacciones de fijación de nitrógeno y carbono.

referencia

P Turón, J Sans, M Arnau y otros. Andamios de hidroxiapatita nanoporosa a medida para catálisis electrotérmica. Nanomateriales aplicados ACS 2022. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.2c01915

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