Conexión de estructuras microscópicas, ensamblajes a mesoscala y arquitecturas macroscópicas en espumas de marco...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Nanotecnología
• Ingeniería ambiental

Sus antecedentes:

• La mejora de la adsorción de contaminantes en materiales porosos requiere una mejor accesibilidad de los microporos intrínsecos.
• La creación de macroarquitecturas continuas y jerárquicamente porosas en materiales orgánicos cristalinos a escala presenta un desafío significativo.
• Los marcos orgánicos covalentes (COF) ofrecen propiedades ajustables, pero a menudo carecen de porosidad jerárquica para aplicaciones a granel.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una nueva estrategia sintética para la fabricación de espumas de COF jerárquicamente porosas con macroarquitecturas controladas.
• Para integrar microporos ordenados con mesoporos/macroporos desordenados y macroporos ordenados dentro de un material de COF a granel.
• Diseñar objetos basados en COF impresos en 3D con geometrías complejas manteniendo la integridad estructural y la porosidad para la remediación del agua.

Principales métodos:

• Se empleó un nuevo método de síntesis para crear espumas de COF jerárquicamente porosas que incorporan óxido de grafeno (GO) para la generación de poros desordenados.
• Las propiedades reológicas de los hidrogeles precursores se utilizaron para permitir la impresión en 3D de espumas cristalinas COF-GO en las formas y tamaños deseados.
• Se realizó la caracterización de las estructuras de los poros, incluidos los microporos (2-2,2 nm), los meso/macroporos (50 nm a 200 μm) y los macroporos ordenados (1,5 mm a 2 cm).

Principales resultados:

• Las espumas de COF-GO jerárquicamente porosas se sintetizaron con éxito con tamaños de poro que abarcan más de seis órdenes de magnitud (10−9 m a 10−3 m).
• Las espumas de COF-GO impresas en 3D mantuvieron el orden estructural y la porosidad continua, permitiendo geometrías complejas.
• Las espumas de ingeniería lograron >95% de eliminación de contaminantes orgánicos e inorgánicos en 30 segundos debido a las aberturas 3D interconectadas y al aumento del flujo de agua (1,13 × 10-3 m·s-1).

Conclusiones:

• Se ha establecido un método escalable para producir espumas de COF jerárquicamente porosas con macroarquitecturas 3D ajustables.
• Las espumas COF-GO desarrolladas presentan un rendimiento excepcional en la eliminación rápida de contaminantes del agua, atribuido a su estructura jerárquica única de poros y alta porosidad (55%).
• Este trabajo demuestra el potencial de las espumas de COF impresas en 3D como materiales avanzados para aplicaciones eficientes de tratamiento de agua.