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为高性能材料工业开发的用于合成有机材料的环保工艺

来源:更新时间:2021-09-10

迄今为止,只能使用剧毒溶剂从有机物质中生产材料。由 Uni Konstanz 教授和 CeMM Adjunct PI Miriam Unterlass 领导的团队现已开发出一种方法,通过仅在热水中生成有机物质,以环保且完全无毒的方式制造适合用作高性能材料的有机物质。该研究代表了有机材料绿色生产的一个重要里程碑,因此也为从无机材料转向有机、可再生材料提供了重要动力。此外,该方法环保、经济、使用方便,还减轻了产品的重量。

我们每天使用的许多产品,例如充电电池和电子材料,都是使用无机物质制成的——这些物质在我们的星球上逐渐变得稀少。化学家正在寻找用碳、氮、氢或氧制成的有机材料代替无机材料的方法。为了使这些物质可用于所需的应用,今天仍在使用剧毒化学品,即所谓的溶剂。这正是康斯坦茨大学教授、奥地利科学院 CeMM 分子医学研究中心的兼职首席研究员化学家 Miriam Unterlass 在她目前的研究中正在解决的问题,作为她的 FWF START 项目的一部分。她解释说:“有机材料具有许多积极的特性:它们可以从可再生原材料中获得,对环境无害,最重要的是,它们非常轻便。通过我们的工艺,我们现在也可以生产它们并使它们完全无毒溶剂使用,非常简单且成本低廉。在我们目前的研究中,我们专注于生产高性能材料所需的多孔材料,尤其是在工业中,例如用于过滤系统、燃料电池膜以及电子绝缘材料。”

与水的关系

无机物如盐类可溶于水,而有机物是非极性的,在常规状态下不溶于水。对于他们的新方法,研究作者、CeMM Unterlass 研究小组的博士生 Marianne Lahnsteiner 和项目负责人 Miriam Unterlass 发现加热水的能力也在此过程中发生了变化。“通过在 180 到 250 度之间并在压力下加热水中仅包含氧、氢、氮和碳的分子,这些分子可以结合。根据这个过程的温度和持续时间,我们因此获得了不同的结构,我们已经能够在数百个实验中进行详细探索,”Unterlass 说,“所以我们现在确切地知道哪些结构是由哪些产生的,在哪些温度和处理时间。

筛选、过滤、传导

在 Lahnsteiner 和 Unterlass 生产的 1 克材料中,有一个巨大的 7250 mm3 中空空间。因此,它提供 - 根据其形状 - 过滤、分离和传导分子的完美特性,并且重量轻。为了使该过程创建的结构更易于观察,研究人员与网络科学家 Jörg Menche 的研究小组合作,他是维也纳大学教授,也是 CeMM 的兼职首席研究员。Menche 的研究小组使用人工智能来分析基于显微镜图像的新兴结构和图案。“在人工智能的帮助下,我们能够以一种我们知道如何综合实现这些结构的方式快速对各种新兴结构进行分类,”Lahnsteiner 说。

绿色生产,初始成本节省 25%

“烟雾是环境污染的一个关键标志。不幸的是,通过使用有毒溶剂,化学过程对其形成负有部分责任。通过我们的新方法,我们正在创造一种非常重要的替代方法来处理不需要此类有毒溶剂的有机材料“完全没有。同时,使用非常常见的元素而不是稀有元素,”Unterlass 说。“此外,该过程非常具有成本效益。在多孔材料的生产中使用水与有毒溶剂相比可节省约 25% 的成本。而且我们不会产生污染物。”

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