Les chimistes peuvent réguler rationnellement la réactivité des molécules et des groupes fonctionnels dans les processus de chimie organique de synthèse industriels et en laboratoire. Le concept peut être appliqué aux nanomatériaux inorganiques, y compris les nanofeuillets de phosphore noir (BP) bidimensionnels (2-D). Par exemple, les scientifiques peuvent "arrêter" la haute réactivité de quelques couches ou monocouches de phosphore noir, lorsque le composé n'est pas utilisé, de reprendre son activité sur demande. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Xiao Liu et une équipe de scientifiques en physique, biomatériaux, Le génie chimique et la chimie biologique en Chine ont développé une méthode basée sur la chimie protectrice pour réguler la réactivité du phosphore noir.

Pour lancer l'étape de protection, ils se lient aux cations aluminium (Al ³⁺ ) avec des paires isolées d'électrons du phosphore noir (BP) et a diminué la densité électronique sur la surface du phosphore noir. Ils ont complété le processus avec une couche résistante à l'oxygène/à l'eau via l'auto-assemblage de hydrophobes (qui détestent l'eau) 1, 2-benzènedithiol (BDT) sur le noir phosphore/aluminium (BP/Al ³⁺ ) conjugué. L'étape de protection a produit un composé stable avec une faible réactivité. En utilisant un procédé de traitement chélateur, Liu et al. par la suite obtenu la déprotection du BP/Al ³⁺ /Complexe BDT pour éliminer les cations aluminium et le BDT de la surface du phosphore noir. De cette façon, ils ont récupéré la densité électronique du phosphore noir en utilisant le processus de déprotection pour restaurer la réactivité du composé.

Optimiser les propriétés des nanomatériaux

Liu et al. développé rationnellement une méthode basée sur la chimie protectrice pour contrôler la réactivité du phosphore noir au cours de ce travail. En nanosciences, les chercheurs peuvent régler avec précision les propriétés des nanomatériaux pour obtenir les caractéristiques souhaitées. La régulation de la réactivité des nanomatériaux est essentielle pour les applications programmables en plusieurs étapes. Certains nanomatériaux peuvent être protégés pour réduire leur réactivité dans des conditions spécifiques et restaurer l'activité après une déprotection réussie. Les chercheurs ont donc proposé une gamme de stratégies sélectives et efficaces pour réguler la réactivité des groupes fonctionnels en chimie organique.

Cependant, les processus de protection-déprotection organiques bien établis existants ne peuvent pas être appliqués aux nanomatériaux inorganiques en raison d'un manque de groupes fonctionnels similaires. Par conséquent, une approche efficace et simple pour contrôler la réactivité des matériaux inorganiques reste à développer. Pour y parvenir, l'équipe a commencé à lier le phosphore noir avec des cations d'aluminium (Al ³⁺ ) pour diminuer la densité électronique de surface et diminuer efficacement sa réactivité. Le processus de protection a produit un arrangement de l'hydrophobe (qui déteste l'eau) 1, Molécule de 2-benzendithiol (BDT) en présence de phosphore noir et d'Al ³⁺ cations pour offrir un complexe ultra-stable (BP/ Al ³⁺ /BDT). Le composé était stable dans des conditions ambiantes jusqu'à deux mois sans altération. L'équipe peut déprotéger le complexe instable grâce à un traitement chélateur.

Synthèse et caractérisation du BP/Al ³⁺ /Composé BDT

Liu et al. synthétisé et caractérisé (testé) le phosphore noir en vrac (BP) en suivant une méthode précédemment développée. L'équipe a d'abord obtenu des nanofeuillets de BP en sonicant la forme en poudre de la molécule, puis en utilisant la microscopie électronique à balayage et la microscopie électronique à transmission (MET), ils ont observé la taille de BP. Le MET haute résolution a également fourni un aperçu de la structure des nanofeuillets et la microscopie à force atomique a révélé l'épaisseur de BP avec quatre à six couches individuelles de couches de phosphorène. En utilisant la diffraction des rayons X et les spectres Raman, l'équipe a déterminé que les caractéristiques cristallines de BP étaient similaires à sa forme en vrac. A l'étape protectrice de la liaison cationique à la surface BP, Liu et al. BP mélangé avec du chlorure d'aluminium (AlCl 3 ) dans une solution d'éthanol. Ils ont ensuite caractérisé l'attachement réussi d'Al ³⁺ cations à la surface de BP pour renforcer la protection de BP en employant la spectroscopie photoélectronique aux rayons X. L'équipe a observé la nano-morphologie du composé et étudié la conformation de la surface à l'aide de la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) et a en outre vérifié sa structure avec la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la résonance magnétique nucléaire du proton ( ¹ RMN).

Liu et al. a étudié la réactivité du BP/Al ³⁺ /BDT complexe en employant une variété de techniques optiques en science des matériaux pour comprendre sa structure. Les images correspondantes ont montré l'évolution de la structure cristalline et la stabilité à long terme dans des conditions ambiantes. La stabilité du BP/Al ³⁺ Le complexe /BDT était supérieur au phosphore noir seul et les résultats ont mis en évidence le caractère pratique de l'incorporation du phosphore noir dans le composé. L'équipe a attribué la réactivité réduite de la structure complexe à deux facteurs; premier, le cation aluminium liant la surface du phosphore noir rendait la réactivité chimique inférieure. Seconde, le réseau dense hydrophobe auto-assemblé à la surface du phosphore noir a isolé la molécule de l'oxygène et de l'eau pour empêcher une dégradation supplémentaire, améliorer la stabilité du composé.

Déprotéger le BP/Al ³⁺ /Composé BDT

L'équipe de recherche a déprotégé le complexe ultra-stable en éliminant le cation aluminium de la surface du composé. Ils ont accompli cette étape avec un chélateur d'ions métalliques conventionnel, l'édétate de sodium (EDTA-4Na). Pendant le processus, Liu et al. a également éliminé les molécules de BDT hydrophobes ainsi que les cations d'aluminium, pour obtenir la surface hydrophile (qui aime l'eau) résultante avec un potentiel zêta négatif, de forme similaire à la molécule de phosphore noir d'origine. Le processus de régulation protecteur-déprotecteur a permis aux scientifiques de contrôler de manière réversible la réactivité du phosphore noir. Les résultats suggèrent la capacité de réguler efficacement la réactivité de la molécule en pratique.

Perspectives

De cette façon, Xiao Liu, et ses collègues ont développé une nouvelle approche basée sur la chimie protectrice pour réguler rationnellement la réactivité du phosphore noir (BP). Pendant l'étape de protection, ils se lient aux cations aluminium (Al ³⁺ ) à la seule paire d'électrons sur BP pour diminuer sa densité électronique de surface. Cette étape protectrice a amélioré la fonctionnalisation de l'hydrophobe (qui déteste l'eau) 1, 2-benzendithiol (BDT), sur le BP/Al ³⁺ surface conjuguée pour former une couche hydrophobe dense, ce qui réduit considérablement la réactivité du phosphore noir. L'équipe a ensuite utilisé un chélateur pour éliminer les cations d'aluminium du phosphore noir afin de ramener la molécule à sa haute densité électronique d'origine, surface hydrophile (qui aime l'eau). Le BP déprotégé a montré une réactivité élevée dans son état d'origine. La méthode a fourni une approche ajustable pour manipuler la réactivité de BP, ce qui est difficilement réalisable par une fonctionnalisation classique. Cette stratégie de protection peut être explorée pour réguler la réactivité des nanomatériaux afin de créer des nanostructures programmables futuristes pour des applications en science des matériaux.

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