Sintesi del doppio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8092 (2023) Citare questo articolo

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Qui, riportiamo la sintesi di nanosfere di organosilice mesoporose periodiche a doppio guscio/MIL-88A-Fe (DSS/MIL-88A-Fe) compositi attraverso un metodo idrotermale. Per esaminare le caratteristiche strutturali e compositive del composito sintetizzato, sono state impiegate una varietà di tecniche spettroscopiche e microscopiche, tra cui FT-IR, XRD, BET, TEM, FE-SEM, EDX e EDX-mapping. Un punto degno di nota in questa procedura di sintesi è l'integrazione di MOF con PMO per aumentare le prestazioni dell'adsorbente, come un'area superficiale specifica più elevata e siti più attivi. Questa combinazione porta a ottenere una struttura con una dimensione media di 280 nm e una lunghezza di 1,1 μm attribuita rispettivamente a DSS e MOF, struttura microporosa e area superficiale specifica relativamente ampia (312,87 m2/g). Il composito così preparato potrebbe essere utilizzato come adsorbente efficace con un'elevata capacità di assorbimento (250 mg/g) e un tempo di assorbimento rapido (30 minuti) per la rimozione di Pb2+ dall'acqua. È importante sottolineare che il composito DSS/MIL-88A-Fe ha rivelato un riciclaggio e una stabilità accettabili, poiché le prestazioni nella rimozione di Pb2+ dall'acqua sono rimaste superiori al 70% anche dopo 4 cicli consecutivi.

Per tutte le attività umane, l’acqua potabile è un materiale essenziale, ma la presenza di inquinanti è una delle sfide umane più significative per ottenere acqua pulita. Il rapido sviluppo dell’industrializzazione porta ad un aumento dell’inquinamento da metalli pesanti nell’ambiente1,2,3. Per ridurre l’inquinamento dell’acqua derivante dallo scarico di metalli pesanti nella natura, l’agenzia per la protezione dell’ambiente (EPA) ha stabilito limiti consentiti specifici a questo scopo. Secondo le linee guida dell'OMS e dell'EPA, la concentrazione massima accettabile di Pb2+ negli scarichi industriali e nell'acqua potabile si avvicina rispettivamente a 0,01 e 0,015 mg/L4,5. Questo valore per il Pb (II) nelle acque reflue è 0,05 mg/L, in base alle linee guida EPA6,7. Inoltre, le concentrazioni di ioni di piombo nelle acque reflue industriali sono di circa 200–500 mg/L. Va notato che questo valore è notevolmente superiore alla qualità standard dell’acqua, quindi, prima di scaricare le acque reflue nei corsi d’acqua o nelle fognature, la concentrazione di ioni di piombo deve essere ridotta ad un livello di 0,05–0,10 mg/L6,8, 9. Gli ioni di metalli pesanti, incluso il piombo, danneggiano la salute umana e l'ambiente. Questi metalli pesanti possono portare a molte malattie e complicazioni nel corpo10,11. Pertanto, la rimozione dei metalli pesanti, compreso il Pb2+, dall’acqua e dalle acque reflue è di grande importanza non solo per proteggere le risorse idriche ma anche per la sopravvivenza permanente degli esseri umani. Secondo questo tema fondamentale, gli scienziati si sono concentrati sulle nuove tecnologie che consentiranno di eliminare i metalli pesanti dalle forniture ambientali12,13,14,15. In generale, alcuni metodi di trattamento utilizzati per purificare l'acqua mediante intrappolamento di metalli pesanti e ioni radioattivi si sono concentrati sui trattamenti basati su adsorbimento-16, membrana-17, sostanza chimica-18, energia elettrica-18 e fotocatalisi-19,20. Tra questi, il processo di adsorbimento è uno dei metodi più efficienti per trattare gli ioni di metalli pesanti grazie alle sue prestazioni semplici, alle varie fonti di adsorbente, ai costi accessibili, al funzionamento semplice, all'elevata efficienza e alla capacità rigenerativa degli adsorbenti21. Negli ultimi anni, i materiali adsorbenti convenzionali tra cui ossidi metallici22,23,24,25,26,27, carbonio attivo28,29,30,31,32,33,34 e nanotubi di carbonio35,36,37,38,39,40 hanno guadagnato un'enorme attenzione. Indubbiamente questi materiali presentano un ottimo comportamento adsorbente; tuttavia, alcuni di essi presentano ancora alcuni svantaggi, tra cui dimensioni e volumi dei pori ridotti, cinetica di adsorbimento, preparazione elaborata, rinnovamento difficile e bassa efficienza di adsorbimento. Pertanto, esiste un urgente bisogno di sviluppare nuovi materiali di adsorbimento.

Recentemente, materiali porosi come strutture metallo-organiche (MOF)41,42,43,44,45,46 e organosilice mesoporosa periodica cava (PMO)47,48,49,50,51,52,53,54,55 ,56 sono attratti da una prospettiva applicativa inclusiva nel campo dell'adsorbimento. Le strutture metallo-organiche (MOF), note anche come una nuova classe di materiali ibridi e cristallini nel campo dei materiali metallo-organici (MOM)57,58,59 sono costruite da centri o cluster metallici che si uniscono attraverso forti legami di coordinazione con linker organici60,61,62,63,64. La procedura di sintesi per ottenere NP MOF è classificata in due categorie principali, comprese le tecniche idrotermali65 e solvotermiche66,67. In entrambe le procedure, due soluzioni contenenti gli ioni metallici nei loro stati di ossidazione stabili, ovvero elementi alcalini, alcalino-terrosi, metalli di transizione ed elementi delle terre rare68 sono stati miscelati con i linker organici come molecole policarbossiliche e poli-azaeterocicli69 per ottenere un'ampia gamma di strutture MOF cristalline e stabili. Negli ultimi anni, questi materiali hanno registrato una rapida ed estesa crescita di attenzione grazie alle loro caratteristiche attraenti come l’elevata area superficiale70, le architetture dei pori ben definite71 e le caratteristiche strutturali sintonizzabili72. Le loro proprietà uniche li rendono ottimi candidati per molte applicazioni, tra cui lo stoccaggio di gas73, la purificazione74, il rilevamento molecolare75, la somministrazione di farmaci76, i catalizzatori organici e la purificazione dell'acqua77. Nel caso di applicazioni per il trattamento delle acque, l'utilizzo di MOF con polvere di piccole dimensioni è associato ad alcuni rischi dovuti all'elevata affinità di questi composti verso l'acqua che porta ad aumentare la possibilità di agglomerazione e quindi difficile recupero45. Come risultato di questo problema, le nanoparticelle MOF possono entrare direttamente nell’acqua potabile78 e causare nanotossicità ambientale a lungo termine, problemi di inquinamento da metalli pesanti e avere effetti sulla salute umana79. D'altra parte, alcune strutture MOF sono sensibili all'umidità e all'acqua, il che porta ad un collasso strutturale nelle strutture metallo-organiche (MOF), il che rappresenta un grave svantaggio nell'uso applicato80. La ragione principale di questo fenomeno può essere spiegata dalla struttura dei MOF (la natura del linker e del cluster metallico) e dal processo di attivazione che porta all'effetto ponte che si verifica nell'adsorbimento dell'acqua46. Ad esempio, nel processo di attivazione di HKUST-1 MOF (= (Cu3(BTC)2) (BTC = benzene-1,3,5-tricarbossilato)) che è composto da ioni rame ricoperti da ligando assiale di acqua e linker BTC, i leganti assiali dell'acqua furono rimossi, determinando una nuova disposizione nella geometria del centro rameico verso una coordinazione planare quadrata relativamente stabile81. Tuttavia, secondo gli articoli riportati46,81, HKUST-1 ha un'elevata affinità di assorbimento dell'acqua e non ha mostrato stabilità a lungo termine quando è a diretto contatto con l'acqua. Rispetto a questo gruppo, alcuni materiali MOF, come MIL-101(Fe), mostrano un'eccellente stabilità all'acqua. Possono presentarsi come ottimi candidati per materiali promettenti per applicazioni di adsorbimento di acqua come la rimozione di metalli pesanti82,83,84,85. Per aumentare i vantaggi dei composti MOF, l'incorporazione di eccellenti adsorbenti come i PMO con questi materiali porta alla formazione di un composito con proprietà meccaniche migliorate.