Инженеры Университета Райса (США) разработали инновационный способ создания ковалентных органических каркасов (COF), специальных материалов, которые можно использовать для улавливания газов, фильтрации воды и ускорения химических реакций. COF обладают потенциалом для решения серьезных экологических проблем, включая хранение энергии и контроль загрязнения. Примером этого является их потенциальное использование для дезактивации «вечных химикатов» или пер- и полифторалкильных веществ (PFAS).
Инженер-химик из Райса Рафаэль Вердуско и его команда описали новый способ синтеза высококачественных COF с низкими затратами и высокой производительностью в исследовании, опубликованном в ACS Applied Materials and Interfaces. Работа включает в себя тщательный анализ преимуществ и недостатков различных методов синтеза и детализирует универсальный, экономически эффективный способ создания COF. Это включает в себя многопоточный микрореактор и тщательную калибровку процесса ввода-вывода.
«Мы построили небольшую непрерывную систему производства — своего рода мини-фабрику на лабораторном столе, — где ингредиенты для COF смешиваются и реагируют в постоянном потоке, а не все сразу в большом контейнере», — сказала соавтор исследования Сафия Халил.
Исследователи также обнаружили, что один из COF, полученных методом проточного синтеза, оказался лучше, чем полученные другими методами, при расщеплении перфтороктановой кислоты (PFOA) — соединения PFAS, связанного с рядом рисков для здоровья, включая рак и нарушение репродуктивной функции.
«Это обнадеживающее открытие, которое дополняет растущие доказательства того, что COF могут стать ключевым игроком в разработке более чистых и эффективных технологий удаления загрязняющих веществ», — сказал Вердузко.
COF — это кристаллические полимеры, состоящие из небольших повторяющихся единиц, связанных вместе в микроскопические губчатые структуры. Эти материалы выделяются своей пористостью, большой площадью поверхности и настраиваемой молекулярной структурой — особенностями, которые можно использовать для использования в широком спектре приложений, включая полупроводники, датчики, доставку лекарств и фильтрацию. Однако медленный и дорогостоящий процесс производства COF ограничил их более широкое применение. «Мы надеемся, что этот метод облегчит производство COF в больших количествах и поможет ускорить открытие новых формул», — сказала Халил.
Халил сравнил новый метод с изготовлением печенья на заказ небольшими партиями, а не выпеканием их всех сразу одной большой партией. Хотя это был не первый случай использования синтеза в проточном реакторе для изготовления COF, метод исследователей Райса выделяется среди предыдущих подходов, поскольку он объединяет непрерывный синтез и обработку двух различных химических соединений COF, что приводит к более разнообразному диапазону макроскопических форматов.
«Этот метод позволяет вам постоянно иметь свежее печенье, контролируя температуру и перемешивание на каждом этапе, чтобы каждый раз получать наилучшее качество», — сказал Халил. «Этот процесс быстрее, потребляет меньше энергии и позволяет лучше контролировать конечный продукт». Традиционный синтез COF подразумевает использование высоких температур, высокого давления и токсичных органических растворителей, что ограничивает широкое производство и использование. Стратегия проточного синтеза исследователей не только позволяет быстрее производить COF, но и позволяет создавать COF с превосходной кристалличностью. Дополнительное доказательство того, что один из недавно синтезированных COF был очень эффективен при расщеплении «вечного химиката», демонстрирует практические преимущества нового метода.
Процесс распада, известный как фотокаталитическая деградация, активируется светом и происходит при комнатной температуре. «Представьте себе эти COF как мощные губки со встроенными «двигателями солнечного света», которые могут расщеплять вредные химикаты гораздо быстрее, чем существующие методы», — сказал Халил. «Один из синтезированных нами COF оказался более эффективным в разрушении PFOA, чем традиционные материалы, такие как диоксид титана — распространенный фотокатализатор, используемый для контроля загрязнения».
