L'XPS rivela le proprietà chimiche superficiali dei materiali ibridi a base biologica
L'analisi delle superfici favorisce lo sviluppo di materiali a base biologica
Annunci
Bastano pochi strati atomici in superficie per influenzare notevolmente l’efficacia con cui un materiale lega gli inquinanti presenti nell’acqua o l’efficienza con cui un fotocatalizzatore risponde alla luce. I ricercatori del Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP utilizzano la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per studiare gli stati chimici e le interazioni sulle superfici e alle interfacce dei materiali a base di carbonio di origine biologica e dei materiali ibridi organico-inorganici. Le loro scoperte possono sostenere lo sviluppo mirato di materiali funzionali per future applicazioni industriali.
Il dott. Jiyong Kim utilizza la spettroscopia XPS per analizzare la composizione chimica delle superfici di materiali complessi presso il Fraunhofer IAP.
© Fraunhofer IAP / Jadwiga Galties
I materiali a base biologica e i relativi sistemi ibridi vengono studiati per un’ampia gamma di applicazioni, tra cui il trattamento delle acque, i processi catalitici, i dispositivi elettrochimici e i rivestimenti funzionali. Essi combinano materie prime naturali con materiali inorganici, unendo le proprietà di entrambe le classi di materiali.
La funzione, la reattività e la stabilità dei materiali ibridi a base biologica possono dipendere fortemente dagli ambienti chimici presenti sulle loro superfici e interfacce. Molti metodi analitici convenzionali, tuttavia, offrono solo un accesso limitato a questi processi. Per lo sviluppo dei materiali, ciò significa che le cause delle differenze di prestazione, degli effetti dell’invecchiamento o dei comportamenti inaspettati dei materiali rimangono spesso poco chiare.
Fondi di caffè, bucce d’arancia e superfici complesse: cosa rivela l’XPS sulla loro chimica
In una serie di studi congiunti guidati dal gruppo di ricerca di Chimica dei Materiali del professor Andreas Taubert presso l’Università di Potsdam, sono stati sviluppati e valutati carbonio di origine biologica e materiali ibridi per applicazioni di depurazione dell’acqua. Il Fraunhofer IAP ha contribuito con una caratterizzazione XPS dettagliata, concentrandosi sulla composizione superficiale, sugli stati chimici e sulle interazioni interfacciali. I fondi di caffè esausti e le bucce d’arancia sono serviti come materie prime rinnovabili per la produzione di biochar, che è stato successivamente combinato con minerali argillosi e ossidi metallici.
La questione chiave affrontata dall’analisi XPS era come la formazione di questi materiali ibridi a base biologica e la loro combinazione con componenti inorganici modificassero la chimica delle loro superfici e interfacce. Per trovare delle risposte, il dott. Jiyong Kim, esperto di analisi delle superfici presso il Fraunhofer IAP, ha studiato come il trattamento termico e la formazione dell’ibrido modificassero la chimica superficiale e interfacciale dei materiali ibridi organico-inorganici utilizzando la spettroscopia XPS. In questo caso, la superficie del materiale viene irradiata con raggi X e viene misurata l’energia dei fotoelettroni emessi.
“L’XPS è come uno scanner superficiale estremamente preciso. Ci permette di leggere lo strato superiore compreso tra 1 e 10 nanometri di un materiale come se fosse una mappa chimica. Un altro vantaggio è che l’analisi richiede solo una preparazione minima del campione e non necessita che il materiale venga disciolto o sottoposto a digestione chimica”, afferma Kim.
Biochar: cosa rende la sua analisi così impegnativa
I materiali derivati da materie prime naturali sono chimicamente molto più complessi rispetto alle sostanze chimiche convenzionali da laboratorio. Durante il trattamento termico della biomassa, come ad esempio i fondi di caffè o le bucce d’arancia, si verificano numerose reazioni simultanee. Ciò produce materiali carboniosi con una chimica superficiale eterogenea e talvolta inaspettata, che non può essere descritta da un’unica struttura chimica. L’XPS è in grado di distinguere queste superfici complesse e di trarre conclusioni su come si è formato un materiale e su quali proprietà possano essere rilevanti per la sua successiva applicazione.
Nel biochar derivato dai fondi di caffè, l’XPS ha dimostrato che il trattamento termico ha riorganizzato il carbonio in superficie. Il risultato è stata una struttura più ricca di carbonio, simile alla grafite, che tuttavia è rimasta chimicamente eterogenea e ricca di siti difettosi. Tali proprietà superficiali possono favorire le interazioni con composti farmaceutici, coloranti e altri inquinanti organici, rendendole particolarmente rilevanti per i materiali utilizzati nella depurazione dell’acqua.
«Una comprensione dettagliata dell’esatta composizione chimica di un materiale ci aiuta a comprendere con estrema precisione non solo la composizione del materiale stesso, ma anche i singoli cambiamenti che si verificano in esso una volta utilizzato in un’applicazione come il risanamento delle acque o in un dispositivo elettrochimico. Questi cambiamenti sono spesso cruciali, ma molto difficili da rilevare con altri metodi», spiega Taubert.
L’XPS fornisce informazioni sulla chimica alle interfacce organico-inorganiche
Nei materiali ibridi di origine biologica, i componenti organici e inorganici sono interconnessi su scale di lunghezza molto ridotte. Ciò che accade alle loro interfacce può avere un’influenza determinante sulle proprietà del materiale che si sviluppano in seguito.
«Nel caso dei materiali ibridi, non è sufficiente sapere quali elementi siano presenti. Ciò che conta è come i componenti organici e inorganici interagiscono e se alle loro interfacce si formano nuovi ambienti chimici. L’XPS ci permette di rendere visibili queste interazioni», spiega Kim.
Nei sistemi ibridi costituiti da biochar ricavato dalla buccia d’arancia, argilla e biossido di titanio, le analisi hanno dimostrato che, durante il trattamento termico, i componenti organici e inorganici formano legami chimici alle loro interfacce, coinvolgendo titanio, ossigeno, carbonio e alluminio. Nei fotocatalizzatori modificati con azoto, l’XPS ha inoltre aiutato a distinguere l’azoto incorporato nelle strutture inorganiche contenenti titanio dalle specie organiche residue contenenti azoto. Tali materiali non solo sono in grado di legare gli inquinanti, ma anche di sfruttarne le proprietà fotocatalitiche per decomporli con l’aiuto della luce.
L’analisi delle superfici supporta lo sviluppo di materiali a base biologica
Utilizzando la tecnica XPS, il Fraunhofer IAP supporta le aziende e i partner di ricerca nell’acquisire una comprensione mirata della complessa chimica superficiale dei materiali a base biologica e nell’identificare le cause delle differenze di prestazione. Ciò può includere l’analisi delle variazioni da lotto a lotto, dei processi di invecchiamento, delle modifiche superficiali e delle interazioni chimiche con gli inquinanti e altre molecole. Le conoscenze acquisite possono contribuire a guidare l’ottimizzazione sistematica delle formulazioni dei materiali e dei processi di produzione, nonché allo sviluppo di materiali robusti e riproducibili per applicazioni industriali. Poiché l’interesse industriale per le materie prime rinnovabili continua a crescere, questi risultati evidenziano anche opportunità per ulteriori ricerche collaborative su materiali a base biologica contenenti carbonio, catalizzatori, rivestimenti, compositi polimerici e altri materiali con superfici e interfacce complesse.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Altre notizie dal dipartimento scienza
Le notizie più lette
Altre notizie dagli altri portali
Vedere i mondi tematici per i contenuti correlati
Mondo Tematico della Spettroscopia
L'analisi attraverso la spettroscopia ci offre prospettive uniche sulla composizione e sulla struttura dei materiali. Dalla spettroscopia UV-Vis alla spettroscopia infrarossa e Raman, fino alla spettroscopia di fluorescenza e di assorbimento atomico - la spettroscopia ci fornisce un'ampia gamma di tecniche analitiche per caratterizzare le sostanze con precisione. Immergiti nell'affascinante mondo della spettroscopia!
Mondo Tematico della Spettroscopia
L'analisi attraverso la spettroscopia ci offre prospettive uniche sulla composizione e sulla struttura dei materiali. Dalla spettroscopia UV-Vis alla spettroscopia infrarossa e Raman, fino alla spettroscopia di fluorescenza e di assorbimento atomico - la spettroscopia ci fornisce un'ampia gamma di tecniche analitiche per caratterizzare le sostanze con precisione. Immergiti nell'affascinante mondo della spettroscopia!