Revestindo a superfície de matrizes de nanofios de Cu2O interconectadas com HKUST

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13858 (2023) Citar este artigo

139 Acessos

Detalhes das métricas

Controlar a cristalização de Estruturas Metal-Orgânicas (MOFs) em nanoescala é atualmente um desafio, e isso dificulta sua utilização para múltiplas aplicações, incluindo foto(eletro)química e sensores. Neste trabalho, mostramos um protocolo sintético que permite a preparação de nanofios de Cu2O@MOF altamente homogêneos sobre um suporte condutor com amplo controle sobre a cristalização das nanopartículas de MOF na superfície dos nanofios de Cu2O. Os nanofios de Cu2O foram primeiro preparados através de eletrodeposição modelada e depois parcialmente convertidos no conhecido Cu-MOF HKUST-1 por oxidação eletroquímica pulsada. Mostramos que o uso de PVP como agente de proteção durante a oxidação eletroquímica de Cu2O em HKUST-1 fornece controle sobre o crescimento dos nanocristais MOF na superfície dos nanofios de Cu2O, e que o tamanho dos cristais MOF obtidos pode ser ajustado alterando a concentração de PVP dissolvido no eletrólito. Além disso, propomos o uso do ácido benzóico como alternativa para obter controle sobre o tamanho dos nanocristais MOF obtidos quando o uso de um agente de proteção deve ser evitado.

Estruturas Metal-Orgânicas (MOFs) são uma classe de materiais nanoporosos cristalinos que apresentam grandes promessas para uma ampla gama de aplicações, incluindo armazenamento de gás1, separação de gás2, sensores3, distribuição de medicamentos4 e (foto)catálise heterogênea5,6,7. Nos últimos anos, esforços crescentes têm sido dedicados na comunidade MOF para o desenvolvimento de métodos sintéticos que permitem ajustar o crescimento do cristal MOF no regime de nanoescala8, ou seja, os chamados nano-MOFs, que incluem micro-ondas9, sonoquímico10, solvotérmico11, microemulsão12 e síntese microfluídica baseada em gotículas13. O controle do tamanho dos cristais MOF em nanoescala é particularmente importante no campo da catálise heterogênea, onde a difusão de espécies reativas através da arquitetura nanoporosa do MOF desempenha um papel muito importante em termos de eficiência .

Outra classe de métodos sintéticos considerados altamente promissores devido à processabilidade e preparação em larga escala de MOFs é a síntese eletroquímica . Entre todos os diferentes métodos eletroquímicos, incluindo oxidação anódica18, desprotonação redutiva19, substituição galvânica20 e deposição eletroforética21, a oxidação anódica de um substrato metálico imerso em um eletrólito contendo o ligante orgânico apropriado é a mais amplamente utilizada, pois apresenta diversas vantagens, incluindo condições sintéticas suaves , solventes não tóxicos e tempos de reação curtos. Muitos MOFs bem conhecidos foram sintetizados através de oxidação anódica até agora, incluindo HKUST-122, ZIF-823, MIL-10024, MOF-525 e UiO-6626.

Além dos substratos metálicos, os óxidos metálicos também poderiam ser utilizados como materiais de partida para a preparação de MOFs através da oxidação anódica, desde que os cátions metálicos possam sofrer oxidação adicional. Por exemplo, os íons Cu+ em Cu2O podem ser ainda mais oxidados em Cu2+, favorecendo a formação de MOFs à base de Cu. Até onde sabemos, a síntese eletroquímica de MOFs à base de Cu através da oxidação anódica direta de Cu2O ainda não foi estudada. No entanto, foi demonstrado primeiro por Schäfer et al.27 e depois confirmado pelo nosso trabalho recente28 que o Cu2O é formado como um intermediário durante a conversão eletroquímica do Cu metálico no MOF HKUST-1 e, portanto, propomos aqui que o Cu2O também poderia ser usado diretamente como material de partida para a preparação eletroquímica de MOFs à base de Cu. Além disso, o HKUST-1 também foi preparado usando técnicas como deposição química de vapor (CVD), síntese solvotérmica ou sol-gel através da conversão de precursores à base de Cu, incluindo filmes de Cu ou CuO e hidróxido de Cu (II) .

Nanoestruturas de Cu2O foram propostas como candidatas promissoras para uma série de aplicações, incluindo energia fotovoltaica32, divisão fotoeletroquímica de água33, baterias de íons de lítio34, sensores35 e catálise36. Os nanofios de Cu2O, em particular, têm recebido atenção no campo da divisão fotoeletroquímica (PEC) da água , uma vez que seu formato permite uma absorção eficiente de luz ao longo de seu comprimento, enquanto os portadores de carga minoritários podem ser coletados em todo o seu diâmetro, superando efetivamente os problemas relacionados ao poço. incompatibilidade conhecida entre a profundidade de absorção de luz e o comprimento de difusão do portador de carga minoritária deste material .