Capacité d’adsorption améliorée du ZIF

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12250 (2023) Citer cet article

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La séparation efficace des produits chimiques toxiques, y compris les agents de guerre chimique (CWA), de l'environnement par adsorption est d'une grande importance car ces produits chimiques constituent une menace importante pour les humains et les écosystèmes. À cette fin, le développement d’adsorbants poreux efficaces pour l’élimination des CWA a fait l’objet d’une attention particulière. La compréhension des interactions spécifiques entre les adsorbants et les CWA doit précéder le développement d’adsorbants efficaces. Nous rapportons ici la relation entre la capacité d’adsorption du ZIF-8 poreux et ses caractéristiques morphologiques et de surface. Quatre types de ZIF-8, qui ont des morphologies différentes (telles que des dodécaèdres cubiques, rhombiques et des échantillons en forme de feuilles et de plaques), ont été préparés de manière sélective. Il a été constaté que les quatre types de ZIF-8 avaient des charges de surface différentes en raison de composants exposés de manière différente sur les surfaces et de composants supplémentaires incorporés. Les charges de surface spécifiques du ZIF-8 se sont révélées étroitement liées à leurs capacités d'adsorption pour les simulants CWA tels que le sulfure de 2-chloroéthyléthyle (CEES) et le phosphonate de diméthylméthyle (DMMP). Le ZIF-8 cubique, avec la charge de surface la plus positive parmi quatre échantillons de ZIF-8, présentait la capacité d'adsorption la plus élevée pour le CEES et le DMMP via l'interaction polaire efficace. De plus, le ZIF-8 présentait une excellente recyclabilité sans perdre sa capacité d'adsorption et sans changements morphologiques ou structurels critiques.

Les agents de guerre chimique (CWA) sont des substances hautement toxiques qui causent de graves dommages à long terme aux humains1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17. Le méthylphosphonofluoridate d'isopropyle, connu sous le nom de sarin et GB, est un agent neurotoxique organophosphoré de type G extrêmement toxique qui inhibe l'acétylcholinestérase et provoque une contraction musculaire et une asphyxie par des interactions chimiques et physiques avec des substrats1,2,3,4,5,6,7. Le sulfure de bis-(2-chloroéthyle), connu sous le nom de moutarde au soufre et HD, est un agent cloquant qui endommage la peau et les tissus exposés6,7,8. Malgré la forte volonté de la communauté internationale de protéger les humains contre les CWA très dangereux, leur utilisation dans le cadre d’activités militaires, de conflits armés ou d’attaques terroristes est toujours d’actualité, et des stratégies visant à atténuer leurs effets dangereux doivent être développées. Dans ce contexte, l’adsorption, l’élimination et la détoxification efficaces des CWA sont d’une grande importance1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17. . En particulier, des matériaux poreux adsorbants pour une adsorption efficace des CWA doivent être développés de toute urgence dans un souci de sécurité humaine. Actuellement, les carbones poreux, les zéolites et les structures métallo-organiques (MOF) ont montré un grand potentiel pour l'adsorption efficace des CWA3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Les simulants ayant des fonctionnalités similaires aux CWA, mais moins toxiques et donc faciles à manipuler en laboratoire, tels que le sulfure de 2-chloroéthyléthyle (CEES) et le diméthylméthylphosphonate (DMMP), sont considérés comme des substituts aux CWA pour cette recherche.

Parmi plusieurs matériaux poreux, les MOF sont relativement bénéfiques car ils possèdent plusieurs propriétés attrayantes telles que des surfaces élevées, des pores bien définis, des structures polyvalentes et des composants réglables. Les MOF sont actuellement utilisés dans de nombreuses applications pratiques, telles que le stockage de gaz, la séparation, l'adsorption, la catalyse et la détection4,5,6,7,8,9,10,11,12, 16,17,18,19,20,21. ,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. De nombreuses études ont été menées pour absorber ou séparer des molécules ciblées18,19,20,21,22,23,24,25, y compris des simulants CWA utilisant des MOF4,5,6,7,8,9,10,11,12. En outre, plusieurs études ont été menées selon lesquelles la charge de surface ou la morphologie des MOF est un facteur important dans l'adsorption des molécules ciblées34,35,36,37,38,39. Parmi les nombreux MOF, le ZIF-8 est un MOF hautement applicable en raison de sa porosité robuste et de ses stabilités thermiques et chimiques élevées40. Nous rapportons ici les capacités d'adsorption du ZIF-8 poreux envers deux simulants CWA critiques (CEES et DMMP), en fonction des caractéristiques morphologiques et des charges de surface spécifiques du ZIF-8. Quatre types de ZIF-8 avec des morphologies différentes (dodécaèdre cubique, rhombique et échantillons en forme de feuille et de plaque) ont été synthétisés sélectivement. Nous avons constaté que les quatre types de ZIF-8 avec des morphologies différentes présentaient également des charges de surface différentes en raison de composants exposés de manière différente sur les surfaces et de composants supplémentaires incorporés. En général, le ZIF-8 a montré d'excellentes capacités d'adsorption pour le CEES et le DMMP par rapport à d'autres matériaux poreux. En particulier, le ZIF-8 cubique, avec la charge de surface positive la plus élevée parmi les quatre échantillons de ZIF-8, présentait les capacités d'adsorption les plus élevées pour le CEES et le DMMP en raison de l'interaction polaire efficace du ZIF-8 cubique avec les simulants via l'électron- fragments riches au sein des simulants CWA. De plus, l’excellente recyclabilité du ZIF-8 pour l’adsorption du CEES a été vérifiée, sans changements morphologiques et structurels critiques.