Les conditions de synthèse définissent la nanostructure du dioxyde de manganèse

Accélération de la réaction chimique par β-MnO₂ catalyseur dans le nanospace des particules. Crédit: Keiko Kamata, Institut de technologie de Tokyo

Des scientifiques de l’Institut de technologie de Tokyo explorent une méthode nouvelle et simpliste pour synthétiser le dioxyde de manganèse avec une structure cristalline spécifique appelée β-MnO₂. Leur étude met en lumière comment différentes conditions de synthèse peuvent produire du dioxyde de manganèse avec des structures poreuses distinctes, faisant allusion à une stratégie pour le développement de MnO hautement réglé.₂ nanomatériaux qui pourraient servir de catalyseurs dans la fabrication de bioplastiques.

L’ingénierie des matériaux a avancé à un point où non seulement nous sommes préoccupés par la composition chimique d’un matériau, mais aussi par sa structure au niveau nanométrique. Les matériaux nanostructurés ont récemment attiré l’attention des chercheurs de divers domaines et pour de bonnes raisons; leurs caractéristiques physiques, optiques et électriques peuvent être ajustées et poussées à la limite une fois que des méthodes pour adapter leur nanostructure seront disponibles.

Dioxyde de manganèse (formule chimique MnO₂) oxyde métallique nanostructuré qui peut former de nombreuses structures cristallines différentes, avec des applications dans divers domaines de l’ingénierie. Une utilisation importante de MnO₂ est un catalyseur pour les réactions chimiques et une structure cristalline particulière de MnO₂, appelé β-MnO₂, est exceptionnelle pour l’oxydation du 5-hydroxyméthylfurfural en acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA). Parce que le FDCA peut être utilisé pour produire des bioplastiques respectueux de l’environnement, trouver des moyens d’ajuster la nanostructure de β-MnO₂ maximiser ses performances catalytiques est crucial.

Cependant, la production de β-MnO₂ est difficile par rapport aux autres MnO₂ structures cristallines. Les méthodes existantes sont compliquées et impliquent l’utilisation de matériaux modèles sur lesquels le β-MnO₂ «grandit» et finit avec la structure désirée après plusieurs étapes. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Institut de technologie de Tokyo dirigé par le professeur Keigo Kamata explorent une approche sans modèle pour la synthèse de différents types de β-MnO poreux₂ nanoparticules.

-Des scientifiques de l’Institut de technologie de Tokyo explorent une méthode nouvelle et simpliste pour synthétiser le dioxyde de manganèse avec une structure cristalline spécifique appelée β-MnO₂. Leur étude met en lumière comment différentes conditions de synthèse peuvent produire du dioxyde de manganèse avec des structures poreuses distinctes, faisant allusion à une stratégie pour le développement de MnO hautement réglé.₂ nanomatériaux qui pourraient servir de catalyseurs dans la fabrication de bioplastiques. Crédit: Keigo Kamata, Institut de technologie de Tokyo

Leur méthode, décrite dans leur étude publiée dans Matériaux appliqués et interfaces ACS, est extrêmement simple et pratique. Premièrement, les précurseurs de Mn sont obtenus en mélangeant des solutions aqueuses et en laissant les solides précipiter. Après filtration et séchage, les solides collectés sont soumis à une température de 400 ° C dans une atmosphère d’air normale, un processus appelé calcination. Lors de cette étape, le matériau cristallise et la poudre noire obtenue par la suite est à plus de 97% de β-MnO poreux₂.

Plus particulièrement, les chercheurs ont trouvé ce β-MnO poreux₂ être beaucoup plus efficace comme catalyseur de synthèse de FDCA que le β-MnO₂ produit en utilisant une approche plus répandue appelée «méthode hydrothermale». Pour comprendre pourquoi, ils ont analysé les caractéristiques chimiques, microscopiques et spectrales du β-MnO₂ nanoparticules produites dans différentes conditions de synthèse.

Ils ont constaté que le β-MnO₂ peut prendre des morphologies sensiblement différentes selon certains paramètres. En particulier, en ajustant l’acidité (pH) de la solution dans laquelle les précurseurs sont mélangés, le β-MnO₂ des nanoparticules avec de grands pores sphériques peuvent être obtenues. Cette structure poreuse a une surface plus élevée, offrant ainsi de meilleures performances catalytiques. Excité par les résultats, Kamata remarque: «Notre β-MnO poreux₂ les nanoparticules pourraient catalyser efficacement l’oxydation du HMF en FDCA en contraste frappant avec le β-MnO₂ nanoparticules obtenues par la méthode hydrothermale. Contrôle plus fin de la cristallinité et / ou de la structure poreuse du β-MnO₂ pourrait conduire au développement de réactions oxydatives encore plus efficaces. « 

De plus, cette étude a permis de mieux comprendre comment les structures poreuses et tunnel se forment dans MnO₂, qui pourrait être la clé pour étendre ses applications, comme le déclare Kamata: «Notre approche, qui implique la transformation des précurseurs de Mn en MnO₂ pas en phase liquide (méthode hydrothermale) mais sous atmosphère d’air, est une stratégie prometteuse pour la synthèse de divers MnO₂ nanoparticules avec des structures tunnel. Ceux-ci pourraient être applicables en tant que matériaux fonctionnels polyvalents pour les catalyseurs, les capteurs chimiques, les batteries lithium-ion et les supercondensateurs. « Nous espérons que d’autres études comme celle-ci nous permettront d’exploiter un jour tout le potentiel que les matériaux nanostructurés ont à offrir.