Capacità di adsorbimento migliorata di ZIF

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12250 (2023) Citare questo articolo

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L’efficace separazione delle sostanze chimiche tossiche, compresi gli agenti di guerra chimica (CWA), dall’ambiente tramite adsorbimento è di grande importanza perché tali sostanze chimiche rappresentano una minaccia significativa per gli esseri umani e gli ecosistemi. A tal fine, lo sviluppo di adsorbenti porosi efficaci per la rimozione del CWA ha ricevuto notevole attenzione. La comprensione delle interazioni specifiche tra adsorbenti e CWA deve precedere lo sviluppo di adsorbenti efficaci. Qui riportiamo la relazione tra la capacità di adsorbimento del poroso ZIF-8 e le sue caratteristiche morfologiche e superficiali. Sono stati preparati selettivamente quattro tipi di ZIF-8, che hanno morfologie diverse (come campioni cubici, dodecaedrici rombici e a forma di foglia e piastra). Si è scoperto che i quattro tipi di ZIF-8 hanno cariche superficiali diverse a causa di componenti esposti in modo diverso sulle superfici e di componenti aggiuntivi incorporati. Si è scoperto che le cariche superficiali specifiche di ZIF-8 sono strettamente correlate alle loro capacità di adsorbimento per simulanti CWA come 2-cloroetil etil solfuro (CEES) e dimetil metil fosfonato (DMMP). Lo ZIF-8 cubico, con la carica superficiale più positiva tra i quattro campioni ZIF-8, ha mostrato la più alta capacità di adsorbimento per CEES e DMMP attraverso l'efficace interazione polare. Inoltre, ZIF-8 ha mostrato un'eccellente riciclabilità senza perdere la sua capacità di adsorbimento e senza cambiamenti morfologici o strutturali critici.

Gli agenti di guerra chimica (CWA) sono sostanze altamente tossiche che causano gravi danni a lungo termine agli esseri umani1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17. L'isopropilmetilfosfonofluoridato, noto come sarin e GB, è un agente nervino organofosforico di tipo G estremamente tossico che inibisce l'acetilcolinesterasi e provoca contrazione muscolare e asfissia attraverso interazioni chimiche e fisiche con i substrati1,2,3,4,5,6,7. Il bis-(2-cloroetil) solfuro, noto come mostarda di zolfo e HD, è un agente vescicante che danneggia la pelle e i tessuti esposti6,7,8. Nonostante la forte volontà della comunità internazionale di proteggere gli esseri umani dai CWA altamente pericolosi, l’uso dei CWA in attività militari, conflitti armati o attacchi terroristici è ancora in corso e devono essere sviluppate strategie per mitigarne gli effetti pericolosi. In questo contesto, l’efficace assorbimento, rimozione e disintossicazione dei CWA sono di grande importanza1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 . In particolare, è necessario sviluppare urgentemente materiali porosi assorbenti per un assorbimento efficiente dei CWA ai fini della sicurezza umana. Attualmente, i carboni porosi, le zeoliti e le strutture metallo-organiche (MOF) hanno mostrato un grande potenziale per l'adsorbimento efficace dei CWA3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Simulanti con funzionalità simili ai CWA, ma con minore tossicità e quindi convenienti da maneggiare in laboratorio, come il 2-cloroetil etil solfuro (CEES) e il dimetil metil fosfonato (DMMP), sono considerati sostituti del CWA per questa ricerca.

Tra i diversi materiali porosi, i MOF sono relativamente vantaggiosi perché hanno diverse proprietà interessanti come aree superficiali elevate, pori ben definiti, strutture versatili e componenti sintonizzabili. I MOF sono attualmente utilizzati in molte applicazioni pratiche, come lo stoccaggio, la separazione, l'adsorbimento, la catalisi e il rilevamento del gas4,5,6,7,8,9,10,11,12, 16,17,18,19,20,21 ,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Sono stati condotti numerosi studi per assorbire o separare molecole mirate18,19,20,21,22,23,24,25, inclusi simulanti CWA che utilizzano MOF4,5,6,7,8,9,10,11,12. Inoltre, sono stati condotti diversi studi secondo cui la carica superficiale o la morfologia dei MOF è un fattore importante nell'adsorbimento delle molecole bersaglio34,35,36,37,38,39. Tra i tanti MOF, ZIF-8 è un MOF altamente applicabile grazie alla sua robusta porosità e alle elevate stabilità termiche e chimiche40. Qui, riportiamo le capacità di adsorbimento del poroso ZIF-8 verso due simulanti CWA critici (CEES e DMMP), a seconda delle caratteristiche morfologiche e delle cariche superficiali specifiche di ZIF-8. Quattro tipi di ZIF-8 con diverse morfologie (campioni cubici, dodecaedrici rombici e a forma di foglia e piastra) sono stati sintetizzati selettivamente. Abbiamo scoperto che i quattro tipi di ZIF-8 con morfologie diverse avevano anche cariche superficiali diverse a causa di componenti esposti in modo diverso sulle superfici e di componenti aggiuntivi incorporati. In generale, ZIF-8 ha mostrato eccellenti capacità di adsorbimento per CEES e DMMP rispetto ad altri materiali porosi. In particolare, lo ZIF-8 cubico, con la carica superficiale positiva più alta tra i quattro campioni ZIF-8, ha mostrato le capacità di adsorbimento più elevate sia per CEES che per DMMP a causa dell'efficace interazione polare dello ZIF-8 cubico con i simulanti attraverso l'elettrone- porzioni ricche all'interno dei simulanti CWA. Inoltre, è stata verificata l'eccellente riciclabilità di ZIF-8 per l'adsorbimento CEES, senza cambiamenti morfologici e strutturali critici.