کاتالیست نوین نانویی، راهکاری ۵.۷ برابر سریع‌تر برای حذف آترازین از آب

افزایش چشمگیر سرعت حذف آترازین

این ماده اصلاح‌شده توانسته است سرعت حذف آترازین را ۵.۷ برابر نسبت به نمونه اولیه و ۱۷.۷ برابر نسبت به ازن‌زنی معمولی افزایش دهد. این پیشرفت قابل توجه، نویدبخش راهکارهای کارآمدتر برای تصفیه آب‌های آلوده است.

همکاری بین‌المللی در توسعه کاتالیست نوین

پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس ایران، با همکاری دانشگاه صنعتی ژجیانگ، دانشگاه پلی‌تکنیک مادرید، مؤسسه فناوری هاربین و چندین مرکز علمی دیگر، موفق به توسعه این کاتالیست نوین شده‌اند. این همکاری بین‌المللی نشان‌دهنده اهمیت و پیچیدگی این حوزه تحقیقاتی است.

MOFها: چارچوب‌های فلزی-آلی پیشرفته

این پژوهش بر پایه چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) انجام شده است. MOFها موادی پیشرفته با ساختار متخلخل، سطح ویژه بالا و قابلیت تنظیم شیمیایی هستند که در حوزه‌های مختلفی نظیر جذب، ذخیره‌سازی گاز، دارورسانی و کاتالیز کاربرد دارند. این مواد به عنوان شبکه‌هایی منظم از یون‌های فلزی و لیگاندهای آلی در مقیاس نانو ساخته می‌شوند.

مهندسی لیگاند با کمک اسید: راهکاری برای افزایش کارایی

برای رفع این محدودیت، پژوهشگران روشی نوین به نام مهندسی لیگاند با کمک اسید را ارائه کردند. در این روش، ابتدا از اسید فرمیک در ساختار استفاده شد و سپس با تیمار اسید کلریدریک (HCl)، ترکیبات مزاحم حذف شدند تا ساختار اصلاح‌شده‌ای با نام UiO-۶۶-F-H به دست آید.

دست‌کاری کنترل‌شده ساختار MOF در مقیاس نانو باعث شد تعداد بیشتری از اتم‌های سریم با هماهنگی ناقص در سطح ماده آشکار شوند. این اتم‌ها به عنوان سایت‌های اسیدی لوئیس عمل می‌کنند؛ مراکزی فعال که می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را تسریع کنند.

این اصلاح ساختاری، تعداد سایت‌های اسیدی لوئیس سطحی را حدود ۴۰ درصد افزایش داده و در نتیجه، ماده جدید هم فعال‌تر و هم پایدارتر شده است.

عملکرد بی‌نظیر در شرایط واقعی

کاتالیست UiO-۶۶-F-H توانسته سرعت تخریب آترازین را ۵.۷ برابر بیشتر از نمونه اصلاح‌نشده UiO-۶۶(Ce) و ۱۷.۷ برابر بهتر از ازن‌زنی ساده افزایش دهد. این آزمایش‌ها در شرایط بهینه شامل pH برابر ۷، دمای ۱۰ درجه سانتی‌گراد و غلظت ازن ۳ میلی‌گرم بر لیتر انجام شده است که به شرایط محیط واقعی بسیار نزدیک است و ارزش عملی این فناوری را دوچندان می‌کند.

مکانیسم عمل و پایداری بالا

سایت‌های فلزی آشکارشده روی سطح کاتالیست، تجزیه ازن را تسریع کرده و مقدار بیشتری از گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) تولید می‌کنند. این گونه‌های بسیار واکنش‌پذیر، مولکول آترازین را شکسته و به ترکیبات ساده‌تر تبدیل می‌کنند. پژوهشگران نشان دادند که تعداد سایت‌های آشکارشده سریم، سرعت تجزیه ازن را تا حدود سه برابر افزایش داده است.

یکی دیگر از مزایای مهم این ماده، پایداری و قابلیت استفاده مجدد آن است. برخلاف بسیاری از کاتالیست‌ها که پس از چند چرخه استفاده کارایی خود را از دست می‌دهند، نمونه اصلاح‌شده در این پژوهش عملکرد مطلوبی از خود نشان داده و قابلیت بازیافت مناسبی دارد.

فراتر از آترازین: الگویی برای آینده

اهمیت این دستاورد فراتر از حذف آترازین است. روش به کار رفته برای آشکارسازی سایت‌های فعال در UiO-۶۶(Ce) می‌تواند برای سایر MOFها نیز توسعه یابد. این پژوهش نه تنها یک ماده جدید، بلکه یک الگوی طراحی تازه برای ساخت کاتالیست‌های پیشرفته ارائه داده است. چنین موادی می‌توانند در آینده برای حذف طیف وسیعی از آلاینده‌های مقاوم نظیر داروها، رنگ‌ها و سایر آفت‌کش‌ها از آب مورد استفاده قرار گیرند؛ مسئله‌ای که با رشد جمعیت، صنعتی‌شدن و کمبود آب، اهمیتی فزاینده می‌یابد.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان Acid-engineered UiO-۶۶(Ce): From the limitations of concealed MOF sites to catalytic excellence for rapid atrazine degradation منتشر شده است.