Abstrait

Chimie organique 2018 : Développer l'échange de cations comme stratégie viable pour la synthèse de nanoparticules - P Gregory Van Patten

 P Gregory Van Patten   

 Les points quantiques semi-conducteurs (QD) sont des matériaux prometteurs dotés de propriétés intéressantes, dépendantes de la taille. Bien que quelques systèmes modèles (CdSe, PbS et quelques autres) aient été développés, optimisés et étudiés en profondeur au cours des dernières décennies, plusieurs obstacles empêchent encore leur adoption dans diverses applications. L'un des principaux défis est l'incapacité d'accéder à une gamme diversifiée de matériaux QD avec un excellent contrôle de la taille, de la forme, de la cristallinité et de la chimie de surface. Le contrôle de ces caractéristiques QD est crucial pour la production de matériaux de haute qualité. Étant donné que les approches synthétiques directes qui permettent un tel contrôle sont difficiles à atteindre, nous avons exploré l'échange de cations (EC) comme voie vers des QD avec de nouvelles compositions. Pour que l'EC soit une approche viable, elle doit être évolutive, largement applicable et aller jusqu'au bout. De plus, il est souhaitable de pouvoir réaliser des échanges partiels pour produire des alliages ou des hétérostructures. Je résumerai nos progrès sur ces objectifs à ce jour. La capacité d'échange cationique est définie comme la charge positive de la quantité échangeable contre la masse du sol, mesurée en cmolc/kg. Certains textes utilisent les anciennes unités équivalentes me/100g ou meq/100g. La CEC est une mesure de la charge électrique des moles, donc une capacité d'échange cationique de 10 cmolc/kg pourrait contenir 10 cmol de cations Na+ par kilogramme de sol, mais seulement 5 cmol de Ca2+ (2 unités de charge) par cation. La capacité d'échange cationique résulte de diverses surfaces de particules de sol, en particulier celles des minéraux argileux et de la matière organique. Les argiles phyllosilicates sont constituées d'oxydes d'aluminium et de silicium de feuillets laminés. Le remplacement d'atomes d'aluminium ou de silicium par d'autres charges peut être une charge inférieure (par exemple Al3+ remplacé par Mg2+) avec une charge nette négative. Cette charge n'implique pas de déprotonation et est donc indépendante du pH, et est appelée charge permanente. De plus, les bords de ces feuilles exposent de nombreux groupes hydroxyles acides qui sont déprotonés en charges négatives aux niveaux de pH et dans de nombreux sols. L'organisation de la matière apporte également une contribution économique très importante à l'échange de cations, en raison de son grand nombre de groupes fonctionnels chargés. La CEC est un sol proche de la surface élevé, où la profondeur de la teneur en matière organique est élevée et diminue. La CEC de la matière organique dépend fortement du pH. Les cations sont adsorbés à la surface du sol par l'interaction électrostatique entre leur charge positive et la charge négative de la surface, mais ils conservent une coquille de molécules d'eau et ne forment pas de liaisons chimiques directes avec la surface. Les cations échangeables font ainsi partie de la couche diffuse au-dessus de la surface chargée. La liaison est relativement faible et un cation peut facilement être déplacé de la surface par d'autres cations de la solution environnante. La capacité d'échange de cations est mesurée en déplaçant tous les cations liés avec une solution concentrée d'un autre cation,et mesurer ensuite soit les cations déplacés, soit la quantité de cation ajouté qui est retenue. Le baryum (Ba2+) et l'ammonium (NH4+) sont fréquemment utilisés comme cations échangeurs, bien que de nombreuses autres méthodes soient disponibles. Les nanocristaux colloïdaux inorganiques (ICNC), en raison de leurs propriétés optiques et électroniques réglables, sont rendus possibles par des compositions et des morphologies contrôlées avec précision. Récemment, de nombreuses stratégies ont été rapportées pour la synthèse directe d'ICNC, telles que les méthodes d'injection à chaud et hydrothermales. Bien qu'une variété d'ICNC de haute qualité et de morphologies diverses aient été obtenues, des ICNC de haute qualité pour des compétences limitées, telles que les points quantiques d'ingénierie de site profond (QD), les nanocristaux semi-conducteurs hybrides avancés (NC) avec ingénierie d'hétéro-interface et la pérovskite Luminescence stable et réglable avec NC. Les ICNC mentionnés ci-dessus ont des nanostructures améliorées avec une large gamme d'applications pour des propriétés améliorées, telles que le concentrateur solaire luminescent, la photocatalyse et le supercondensateur. Pour contrôler les ICNC avec des hétérostructures bien définies, de nombreuses stratégies ont été développées, telles que le remplacement galvanique, l'exfoliation liquide et la croissance axipaxiale. Parmi ces méthodes, des réactions d'échange de cations/anions (CER/AER) ont été développées pour formuler des compositions et des structures avec des ICNC synthétisants. Au cours des 5 dernières années, les NC dopés