Capacidade de adsorção aprimorada do ZIF

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12250 (2023) Citar este artigo

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A separação eficaz de produtos químicos tóxicos, incluindo agentes de guerra química (CWA), do ambiente através de adsorção é de grande importância porque tais produtos químicos representam uma ameaça significativa para os seres humanos e os ecossistemas. Para este fim, o desenvolvimento de adsorventes porosos eficazes para a remoção de CWA tem recebido atenção significativa. A compreensão das interações específicas entre adsorventes e CWAs deve preceder o desenvolvimento de adsorventes eficazes. Aqui, relatamos a relação entre a capacidade de adsorção do ZIF-8 poroso e suas características morfológicas e superficiais. Quatro tipos de ZIF-8, que possuem morfologias diferentes (como dodecaedro cúbico, rômbico e amostras em formato de folha e placa), foram preparados seletivamente. Descobriu-se que os quatro tipos de ZIF-8 têm cargas superficiais diferentes devido a componentes expostos de forma diferente nas superfícies e componentes adicionalmente incorporados. Descobriu-se que as cargas superficiais específicas do ZIF-8 estão intimamente relacionadas às suas capacidades de adsorção para simuladores de CWA, como sulfeto de 2-cloroetil etil (CEES) e dimetil fosfonato (DMMP). O ZIF-8 cúbico, com a carga superficial mais positiva entre quatro amostras de ZIF-8, exibiu a maior capacidade de adsorção para CEES e DMMP através da interação polar efetiva. Além disso, o ZIF-8 exibiu excelente reciclabilidade sem perder a sua capacidade de adsorção e sem alterações morfológicas ou estruturais críticas.

Os agentes de guerra química (CWAs) são substâncias altamente tóxicas que causam sérios danos a longo prazo aos seres humanos1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17. O metilfosfonofluoridato de isopropila, conhecido como sarin e GB, é um agente nervoso organofosforado do tipo G extremamente tóxico que inibe a acetilcolinesterase e causa contração muscular e asfixia por meio de interações químicas e físicas com substratos1,2,3,4,5,6,7. O sulfeto de bis-(2-cloroetil), conhecido como mostarda de enxofre e HD, é um agente formador de bolhas que danifica a pele e os tecidos expostos6,7,8. Apesar da forte vontade da comunidade internacional de proteger os seres humanos de CWA altamente perigosos, a utilização de CWA em actividades militares, conflitos armados ou ataques terroristas ainda ocorre, e devem ser desenvolvidas estratégias para mitigar os seus efeitos perigosos. Nesse contexto, a adsorção, remoção e desintoxicação eficazes de CWAs são de grande importância1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 . Em particular, materiais porosos adsortivos para adsorção eficiente de CWAs devem ser desenvolvidos urgentemente para a segurança humana. Atualmente, carbonos porosos, zeólitos e estruturas metal-orgânicas (MOFs) têm mostrado grande potencial para a adsorção eficaz de CWAs . Simulantes com funcionalidades semelhantes aos CWAs, mas com menor toxicidade e, portanto, fáceis de manusear em laboratório, como o sulfeto de 2-cloroetil etila (CEES) e o dimetilmetilfosfonato (DMMP), são considerados substitutos do CWA para esta pesquisa.

Entre vários materiais porosos, os MOFs são relativamente benéficos porque possuem diversas propriedades atraentes, como áreas superficiais elevadas, poros bem definidos, estruturas versáteis e componentes ajustáveis. Os MOFs são atualmente usados ​​em muitas aplicações práticas, como armazenamento de gás, separação, adsorção, catálise e detecção . ,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Numerosos estudos foram conduzidos para absorver ou separar moléculas alvo18,19,20,21,22,23,24,25, incluindo simuladores de CWA usando MOFs4,5,6,7,8,9,10,11,12. Além disso, vários estudos foram conduzidos de que a carga superficial ou morfologia dos MOFs é um fator importante na adsorção das moléculas alvo . Entre os muitos MOFs, o ZIF-8 é um MOF altamente aplicável devido à sua porosidade robusta e alta estabilidade térmica e química . Aqui, relatamos as capacidades de adsorção do ZIF-8 poroso em relação a dois simuladores críticos de CWA (CEES e DMMP), dependendo das características morfológicas e das cargas superficiais específicas do ZIF-8. Quatro tipos de ZIF-8 com diferentes morfologias (dodecaedro cúbico, rômbico e amostras em formato de folha e placa) foram sintetizados seletivamente. Descobrimos que os quatro tipos de ZIF-8 com morfologias diferentes também tinham cargas superficiais diferentes devido a componentes expostos de forma diferente nas superfícies e componentes adicionalmente incorporados. Em geral, o ZIF-8 apresentou excelentes capacidades de adsorção para CEES e DMMP em comparação com outros materiais porosos. Em particular, o ZIF-8 cúbico, com a maior carga superficial positiva entre as quatro amostras de ZIF-8, exibiu as maiores capacidades de adsorção tanto para o CEES quanto para o DMMP devido à interação polar efetiva do ZIF-8 cúbico com os simuladores através do elétron- porções ricas dentro dos simuladores CWA. Além disso, foi verificada a excelente reciclabilidade do ZIF-8 para adsorção de CEES, sem alterações morfológicas e estruturais críticas.