将渔鳞等废弃物转化为有价值的纳米材料

由于碳基纳米材料的低毒性、化学稳定性和非凡的电和光学特性,它们正被越来越多地用于电子、能源转换和存储、催化和生物医学。CNO,即碳纳米离子,也绝不是一个例外。1980年首次描述的CNO是由富勒烯的同心壳组成的纳米结构,类似于笼中笼。它们有几个理想的品质,包括大表面积和高导电性和导热性。

不幸的是,使用传统方法生产CNO也有很大的缺点。一些方法要求苛刻的合成条件,包括高温或真空,而其他方法则需要大量的时间和精力。虽然某些方法可能超越了这些限制,但它们仍然需要复杂的催化剂,昂贵的碳源,或潜在的危险的酸性或碱性条件。这严重地限制了CNO的潜力。

科学家们已经开发出一种简单、快速和节能的合成方法,从鱼鳞中生产特殊的碳纳米离子。资料来源:日本NITech的Takashi Shirai。

幸运的是,仍然有希望。来自日本名古屋工业大学的一组研究人员最近发现了一种简单易行的方法,可以将鱼的废料转化为极高质量的CNO。他们的发现最近发表在《绿色化学》杂志上。 该小组包括副教授Takashi Shirai、硕士生Kai Odachi和助理教授Yunzi Xin,他们创造了一种合成方法,即通过微波热解将清洗后从鱼废物中提取的鱼鳞迅速转化为CNO。

(左图)描述通过微波热解鱼鳞合成碳纳米离子的方案。上面的插图显示了鱼鳞在10秒内因吸收微波而导致的温度上升,以及建议的碳纳米离子的形成机制。(右图)透射电子显微镜图像显示了合成的碳纳米离子的形态,以及CNO在乙醇中的分散体、发光柔性薄膜和含有CNO的LED的照片。资料来源:日本NITech公司的Takashi Shirai

但是,鱼鳞如何能够如此容易地转化为CNO?虽然确切的原因并不完全清楚,但研究小组认为,这与鱼鳞中含有的胶原蛋白有关,它可以吸收足够的微波辐射,产生快速的温度上升。这导致了热分解或”热解”,从而产生某些支持CNO组装的气体。这种方法的非凡之处在于,它不需要复杂的催化剂、苛刻的条件或漫长的等待时间;鱼鳞可以在不到10秒的时间内转化为CNO。

此外,这种合成工艺产生的CNO具有非常高的结晶度。这在使用生物质废料作为起始材料的工艺中是非常难以实现的。此外,在合成过程中,CNO的表面被选择性地、彻底地官能化了(-COOH)和(-OH)基。这与用传统方法制备的CNO的表面形成鲜明对比,后者通常是裸露的,必须通过额外的步骤进行功能化。

这种”自动”功能化对CNO的应用具有重要意义。当CNO表面没有被功能化时,由于一种被称为pi-pi堆积的吸引作用,纳米结构往往会粘在一起。这使得它们难以分散在溶剂中,而这对于需要基于溶液的过程的应用来说是必要的。然而,由于所提出的合成工艺产生了功能化的CNO,它允许在各种溶剂中具有良好的分散性。

然而,与功能化和高结晶度相关的另一个优势是特殊的光学特性。白井博士解释说。”CNO表现出超亮的可见光发射,效率(或量子产率)达到40%。这个数值以前从未实现过,比以前报道的通过传统方法合成的CNO高出约10倍。”

为了展示他们的CNO的一些实际应用,该团队展示了它们在LED和蓝光发射薄膜中的应用。这些CNO产生了高度稳定的发射,无论是在固体设备内部还是分散在各种溶剂中,包括水、乙醇和异丙醇。

“稳定的光学特性可以使我们制造出大面积的发光柔性薄膜和LED设备,”白井博士推测。”这些发现将为下一代显示器和固态照明的发展开辟新的途径”。

此外,这种合成技术是环保的,并提供了一种直接的方法,将鱼类废物转化为无限有用的材料。该团队认为他们的工作将有助于实现联合国的几个可持续发展目标。此外,如果CNO能够进入下一代LED照明和QLED显示器,它们将大大有助于降低其制造成本。

让我们希望这些科学家的努力能使天平倾向于CNO的更多实际应用。

By zeng