Kim loại là gì? Các công bố khoa học về Kim loại

Các tinh thể nano là nền tảng của khoa học và công nghệ hiện đại. Việc làm chủ hình dạng của một tinh thể nano cho phép kiểm soát các tính chất của nó và tăng cường tính hữu ích cho một ứng dụng cụ thể. Mục tiêu của chúng tôi là trình bày một đánh giá toàn diện về các hoạt động nghiên cứu hiện tại tập trung vào tổng hợp kiểm soát hình dạng của các tinh thể nano kim loại. Chúng tôi bắt đầu với một phần giới thiệu ngắn gọn về sự hình thành hạt nhân và sự phát triển trong bối cảnh tổng hợp tinh thể nano kim loại, tiếp theo là thảo luận về các hình dạng có thể của tinh thể nano kim loại dưới các điều kiện khác nhau. Sau đó, chúng tôi tập trung vào một loạt các tham số thí nghiệm đã được nghiên cứu để thao tác sự hình thành hạt nhân và sự phát triển của tinh thể nano kim loại trong các pha dung dịch, nhằm tạo ra các hình dạng cụ thể. Chúng tôi giải thích chi tiết những phương pháp này bằng cách chọn các ví dụ trong đó đã có sự hiểu biết hợp lý về kiểm soát hình dạng quan sát được hoặc ít nhất các giao thức đã chứng minh là có thể lặp lại và kiểm soát được. Cuối cùng, chúng tôi nhấn mạnh một số ứng dụng đã được kích hoạt và/hoặc nâng cao bởi quá trình tổng hợp kiểm soát hình dạng của các tinh thể nano kim loại. Chúng tôi kết thúc bài viết này với những quan điểm cá nhân về các hướng mà nghiên cứu trong tương lai trong lĩnh vực này có thể đi tới.

Chúng tôi xem xét các khía cạnh cơ bản của oxit kim loại, chalcogenide kim loại và pnictide kim loại như các chất xúc tác điện hóa hiệu quả cho phản ứng tiến hoá oxy.

Quy trình sol-gel mang đến một hướng tiếp cận mới trong việc điều chế thủy tinh và gốm sứ. Xuất phát từ các tiền chất phân tử, một mạng lưới oxit được hình thành thông qua chuỗi phản ứng đa trùng hợp vô cơ. Các phản ứng này diễn ra trong dung dịch, và thuật ngữ “xử lý sol-gel” thường được sử dụng một cách rộng rãi để chỉ các phương pháp tổng hợp oxit vô cơ dựa trên “hóa học ướt”. Quy trình sol-gel mang lại nhiều lợi ích so với phương pháp truyền thống sử dụng “dạng bột”, cụ thể: (1) dễ dàng tạo ra các hệ đa thành phần đồng nhất chỉ bằng cách trộn các dung dịch tiền chất phân tử^1,2; (2) nhiệt độ xử lý vật liệu có thể được giảm đáng kể, cho phép tạo ra các loại thủy tinh hoặc gốm sứ có tính chất khác thường³; (3) tính chất lưu biến của các hệ sol và gel cho phép chế tạo sợi, màng hoặc vật liệu composite thông qua các kỹ thuật như kéo sợi⁴, tráng nhúng⁵ hoặc thấm ngập⁶. Những lợi thế này giải thích lý do quá trình sol-gel đã nhận được sự quan tâm đáng kể về mặt khoa học và công nghệ trong thập kỷ vừa qua. Nhiều hội thảo quốc tế hiện nay tập trung vào chủ đề này, chẳng hạn như “Hội thảo Quốc tế về Thủy tinh và Thủy tinh-Gốm từ Gel”^7-10, “Quá trình xử lý siêu cấu trúc cho gốm sứ, thủy tinh và composite”^11-13 cũng như “Nâng cao chất lượng gốm sứ thông qua hóa học”^14,15.

Một đặc tính độc đáo của quy trình sol-gel là khả năng tiến hành từ tiền chất phân tử đến sản phẩm cuối cùng, cho phép kiểm soát tốt hơn toàn bộ quá trình và tổng hợp những vật liệu được “thiết kế theo nhu cầu”. Do đó, để có thể làm chủ quy trình sol-gel, cần chú trọng đến mối liên hệ giữa hoạt tính hóa học, sự hình thành gel và hình thái bột. Bài viết này lần lượt xem xét (i) hóa học của các tiền chất phân tử, (ii) các hiện tượng kết tụ trong quá trình chuyển hóa từ sol-gel thành vật liệu, và (iii) các tính chất vật lý cùng ứng dụng của gel oxit kim loại chuyển tiếp.

Hóa học của quá trình sol-gel dựa trên các phản ứng hydroxyl hóa và ngưng tụ của tiền chất phân tử. Các phản ứng này đã được nghiên cứu sâu rộng trong trường hợp silica¹⁶. Tuy nhiên, dữ liệu về tiền chất oxit kim loại chuyển tiếp còn hạn chế. Hai lộ trình tổng hợp thường được mô tả trong tài liệu: (1) sử dụng dung dịch nước của muối vô cơ hoặc (2) sử dụng hợp chất hữu cơ kim loại. Phần đầu tiên của bài viết trình bày hóa học trong môi trường nước của các ion kim loại chuyển tiếp. Đề tài này khá phức tạp do sự tồn tại của nhiều loài phân tử khác nhau, phụ thuộc vào trạng thái oxy hóa, pH, và nồng độ. Thêm vào đó, đối với các cation không mang điện tích bốn, có thể hình thành oxit, hydroxit và thậm chí cả oxo-hydroxit.

Các phản ứng kích hoạt C–H tiến hành dưới điều kiện nhẹ gợi mở hơn cho các ứng dụng trong tổng hợp phân tử phức tạp. Bài báo tổng hợp các chuyển đổi C–H nhẹ đã được báo cáo từ năm 2011 và thảo luận về các khái niệm và chiến lược khác nhau đã tạo điều kiện cho tính nhẹ nhàng của chúng.

Các ống nano các bon được doping với liti hoặc kali có khả năng hấp thụ ∼20 hoặc ∼14 phần trăm trọng lượng của hydro ở nhiệt độ trung bình (200̐ đến 400°C) hoặc ở nhiệt độ phòng, tương ứng, dưới áp suất thường. Những giá trị này lớn hơn so với hệ thống kim loại hydride và hệ thống hấp phụ lạnh. Hydro lưu trữ trong các ống nano các bon được doping liti hoặc kali có thể được giải phóng ở nhiệt độ cao hơn, và chu trình hấp thụ-giải phóng có thể được lặp lại mà ít giảm khả năng hấp thụ. Khả năng hấp thụ hydro cao của các hệ thống này có thể được phát sinh từ cấu trúc xếp lớp mở đặc biệt của ống nano các bon được làm từ methan, cũng như tác dụng xúc tác của kim loại kiềm.

Việc khử điện hóa trực tiếp CO₂ thành nhiên liệu và hóa chất bằng nguồn điện tái tạo đã thu hút sự chú ý đáng kể, một phần do những thách thức cơ bản liên quan đến khả năng phản ứng và độ chọn lọc, và một phần do tầm quan trọng của nó đối với các điện cực khuếch tán khí tiêu thụ CO₂ trong công nghiệp. Trong nghiên cứu này, chúng tôi giới thiệu những tiến bộ trong việc hiểu biết về các xu hướng trong điện cực xúc tác CO₂ thành CO của cacbon xốp pha tạp kim loại-nitơ có chứa nhóm chức M-N _x (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu). Chúng tôi nghiên cứu hoạt tính xúc tác nội tại của chúng, tần số chuyển đổi CO, hiệu suất Faraday của CO và chứng minh rằng các chất xúc tác Fe–N–C và đặc biệt là Ni–N–C có thể so sánh với các chất xúc tác dựa trên Au và Ag. Chúng tôi mô hình hóa nhóm chức M-N _x sử dụng lý thuyết hàm mật độ và liên hệ các năng lượng liên kết lý thuyết với thực nghiệm để tạo ra các chỉ số mô tả reactivity-selectivity. Điều này cung cấp hiểu biết về cơ chế ở mức nguyên tử của độ chọn lọc CO và hydrocarbon phụ thuộc vào điện thế từ các nhóm chức M-N _x và đưa ra hướng dẫn dự báo cho việc thiết kế hợp lý các chất xúc tác khử CO₂ có chọn lọc dựa trên cacbon.

Một thí nghiệm trong chậu được thực hiện để so sánh hai chiến lược xử lý ô nhiễm bằng thực vật: tích tụ tự nhiên sử dụng thực vật siêu tích tụ Zn và Cd là Thlaspi caerulescens J. Presl & C. Presl so với chiết xuất cải tiến hóa học sử dụng ngô (Zea mays L.) được xử lý bằng axit ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). Nghiên cứu sử dụng đất bị ô nhiễm công nghiệp và đất nông nghiệp bị ô nhiễm kim loại từ bùn thải. Ba vụ mùa của T. caerulescens trồng trong vòng 391 ngày đã loại bỏ hơn 8 mg kg⁻¹ Cd và 200 mg kg⁻¹ Zn từ đất bị ô nhiễm công nghiệp, tương đương 43% và 7% các kim loại trong đất. Ngược lại, nồng độ Cu cao trong đất nông nghiệp đã làm giảm nghiêm trọng sự phát triển của T. caerulescens, do đó hạn chế tiềm năng chiết xuất của nó. Quá trình xử lý bằng EDTA đã tăng đáng kể tính hòa tan của kim loại nặng trong cả hai loại đất, nhưng không dẫn đến tăng lớn hàm lượng kim loại trong chồi ngô. Chiết xuất Cd và Zn bằng ngô + EDTA nhỏ hơn nhiều so với T. caerulescens từ đất bị ô nhiễm công nghiệp, và nhỏ hơn (Cd) hoặc tương tự (Zn) so với đất nông nghiệp. Sau khi xử lý bằng EDTA, kim loại nặng hòa tan trong nước lỗ chân lông của đất chủ yếu tồn tại dưới dạng phức hợp EDTA-kim loại, duy trì trong vài tuần. Hàm lượng cao của kim loại nặng trong nước lỗ chân lông sau quá trình xử lý EDTA có thể gây nguy cơ môi trường dưới dạng ô nhiễm nước ngầm.