Nanoesponjas de grafeno/COF con potencial para la purificación rápida de aguas residuales

Nanoesponjas de grafeno/COF con potencial para la purificación rápida de aguas residuales


03/08/2022

(Noticias de Nanowerk) Los adsorbentes eficientes para el tratamiento de aguas residuales industriales son importantes para minimizar el daño ambiental potencial. En particular, los colorantes orgánicos, un grupo importante de contaminantes industriales, suelen ser altamente solubles en agua, no degradables y muchos son tóxicos o cancerígenos.

Changxia Li y Freddy Kleitz de la Facultad de Química de la Universidad de Viena, junto con sus colegas, han presentado ahora un nuevo enfoque para el diseño de un material compuesto innovador que consiste en un marco orgánico covalente (COF) ultrafino nanoporoso anclado en grafeno y que es altamente eficiente en el filtrado de contaminantes orgánicos del agua.

El estudio fue publicado en quimica APLICADA («Marco orgánico covalente ultrafino anclado en grafeno para mejorar la eliminación de contaminantes orgánicos»). Marco orgánico covalente ultrafino anclado en grafeno Estructura orgánica covalente ultrafina anclada en grafeno. (Imagen: Angewandte Chemie)

«Existen múltiples formas de purificar el agua hoy en día, incluidos los filtros de carbón activado, pero aún hay margen para mejorar la eficiencia o la capacidad de adsorción de las aplicaciones», dice el primer autor y posdoctorado Changxia Li.

El grupo de Freddy Kleitz en el Instituto de Química Inorgánica – Materiales Funcionales está desarrollando nuevos materiales nanoporosos. Con el mismo volumen, los materiales porosos tienen un área de superficie total significativamente mayor que un material no poroso y, por lo tanto, pueden unir una cantidad particularmente grande de moléculas a las superficies durante la adsorción.

COF altamente poroso como nueva clase de material

Las estructuras orgánicas covalentes (COF) son una clase de materiales relativamente nueva. Son particularmente porosos y al mismo tiempo de baja densidad y peso ligero. Covalente significa que sus enlaces químicos se forman a través de pares de electrones entre átomos.

Los tintes que los investigadores estudiaron en su solución modelo acuosa tenían un tamaño de aproximadamente 0,8 a 1,6 nanómetros. “Hemos desarrollado un proceso novedoso para formar COF de una manera relativamente respetuosa con el medio ambiente usando agua. De esta manera, pudimos desarrollar pequeñas ‘esponjas’ con tamaños de poro diseñados y formas de poro en el rango de nanómetros, así como una carga superficial negativa coordinada que atrajo muy selectivamente las moléculas objetivo cargadas positivamente, es decir, nuestros colorantes, fuera del agua. , dicen los investigadores, «al igual que la esponja absorbe el agua, pero en nuestro caso son los contaminantes».

Una columna vertebral de grafeno

Cuando se usa polvo COF a granel, los poros internos del material a menudo son inaccesibles a los contaminantes debido a que los poros en el borde exterior se obstruyen, especialmente para las moléculas contaminantes grandes. El nuevo material compuesto desarrollado por los investigadores ofrece una estructura consistentemente permeable: para hacer esto, los investigadores cultivaron COF en nanoláminas de grafeno de capa delgada.

La combinación de grafeno, que ya es una capa 2D de átomos de carbono, y la capa de COF de hasta dos nanómetros de espesor dio como resultado una estructura 3D compacta y abierta. La capa de COF ultradelgada podría exponer más sitios de adsorción que el polvo de COF a granel.

Por otro lado, los poros más grandes en forma de panal de la red de grafeno soportan el transporte de agua a través del material del filtro.

«Los grandes poros de la red de grafeno en combinación con la capa COF ultrafina con muchos sitios de adsorción permiten un tratamiento de aguas residuales particularmente rápido y eficiente», dicen los investigadores.

Debido al consumo de material comparativamente bajo del grafeno y la posibilidad de reutilizar el material compuesto como filtro, después de que se hayan eliminado los contaminantes, el desarrollo también es relativamente rentable, dijo.



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