Zahărul modificat chimic deschide calea unor nanostructuri fără template
Cercetătorii de la Institutul Național de Știință și Tehnologie Industrială Avansată (AIST) au demonstrat că materialele carbonice nanoporoase și cele cu nanostructuri stratificate pot fi sintetizate printr-un proces simplu, bazat pe modificarea chimică a unor zaharuri obișnuite precum zaharoza și fructoza.
Materialele carbonice nanoporoase sunt considerate relevante pentru domeniul energiei, datorită potențialului lor ca suporturi pentru catalizatori și ca materiale pentru electrozii bateriilor secundare. Cererea pentru astfel de materiale cu dimensiuni și forme ale porilor foarte uniforme, adaptabile unor aplicații specifice, este în creștere.
Metoda convențională de tip template prezintă însă mai multe dezavantaje: necesită agenți șablon sacrificabili și proceduri complexe de sinteză care consumă resurse și generează deșeuri. Unele proceduri se bazează pe procese chimice energofage și agresive, cu temperaturi ridicate și acizi puternici.
Precursorii din zaharuri modificate înlocuiesc șabloanele
Noua metodă dezvoltată la AIST permite obținerea materialelor carbonice nanostructurate exclusiv din molecule de zahăr modificate chimic. Precursorii utilizați sunt molecule de zahăr modificate cu o catenă alchilică, supuse unui tratament hidrotermal în timpul căruia au loc reacții de condensare. Astfel, materialele carbonice nanostructurate sunt obținute fără șabloane convenționale și fără procesare chimică agresivă.
În plus, nanostructura materialului rezultat poate fi modificată prin variația tipului de grupare de zahăr, obținându-se fie un material carbonic nanoporos cu pori sferici, fie un material carbonic cu o structură stratificată la scară nanometrică.
De la formarea „fizică” la cea „chimică” a porilor
Rezultatele marchează o trecere de la calea actuală de formare „fizică” a porilor, bazată pe metoda template, la o cale „chimică”. Cercetătorii estimează că metoda va putea servi drept platformă de sinteză pentru proiectarea de noi materiale carbonice nanoporoase, cu caracteristici nanostructurale inaccesibile prin metodele convenționale. Folosirea unor astfel de materiale ca suporturi pentru diverse reacții chimice ar putea îmbunătăți performanța în aplicații precum electrozii și suporturile pentru catalizatori.
Detaliile cercetării au fost publicate online în Journal of the American Chemical Society pe 12 august 2026.
Pori uniformi pentru performanță selectivă
Materialele carbonice nanoporoase au numeroși pori la scară nanometrică și o suprafață specifică mare și sunt recunoscute pentru capacitatea de a stoca energie electrică, de a adsorbi substanțe și de a promova reacții chimice. În studiile aplicative privind stocarea energiei și pilele de combustie, aceste materiale oferă o platformă pentru procesele de stocare a sarcinii și pentru diverse reacții chimice.
Cărbunele activ, un material carbonic poros bine cunoscut, este utilizat pentru purificarea apei și eliminarea mirosurilor datorită porozității ridicate, care îi permite să rețină molecule de diverse dimensiuni. Dimensiunea și forma porilor săi nu sunt însă, de regulă, uniforme. În schimb, materialele carbonice poroase cu pori uniformi ca dimensiune și formă pot reține molecule de dimensiuni specifice, ceea ce oferă avantaje în aplicații precum stocarea energiei, separarea gazelor și cataliza. Această capacitate a accelerat cererea pentru materiale carbonice nanoporoase cu structuri de pori uniforme, adecvate acestor aplicații.
Limitele sintezei bazate pe șabloane
Metoda template a fost folosită pe scară largă pentru producerea materialelor carbonice cu pori controlați la scară nanometrică. Într-o procedură generală, agenți polimerici sau materiale anorganice preformate sunt utilizați ca șabloane sacrificabile. Amestecarea unei surse de carbon cu șablonul, urmată de carbonizare și îndepărtarea șablonului, produce materiale carbonice poroase.
Deși este o strategie bine stabilită pentru fabricarea materialelor carbonice poroase cu pori uniformi, metoda template are limite în controlul arhitecturii nanoporilor. Aceste limite provin în principal din dependența de varietatea și disponibilitatea șabloanelor, în esență limitate la anumite arhetipuri. În plus, șabloanele pregătite cu atenție sunt sacrificate în timpul procesului, iar etapa de îndepărtare a șablonului se bazează pe tratamente chimice agresive, care necesită acizi puternici sau temperaturi de ordinul sutelor de grade Celsius.
Pentru a produce materiale carbonice nanoporoase cu arhitecturi de pori adaptate, cercetătorii au căutat prin urmare strategii de sinteză care să ofere control flexibil asupra structurilor de pori, menținând în același timp simplitatea sintezei și condiții de reacție blânde.
