گسترش شتابگرفتهی صنعتیشدن در جهان، کیفیت هوا، سلامت محیطزیست و پایداری زیستی را با تهدیدهای فزایندهای روبهرو کرده است؛ تهدیدهایی که مقابله با آنها به فناوریهایی کارآمد، مقرونبهصرفه و قابل تعمیم به مقیاس صنعتی نیاز دارد. در چنین شرایطی، پژوهشگران دانشگاه مراغه با همکاری دانشگاههای جیاشینگ، اولو و آدام میکویچ، مروری جامع بر ساختارها و عملکرد چارچوبهای آلی – فلزی مبتنی بر وانادیوم و منگنز منتشر کردهاند؛ موادی که به دلیل ماهیت نانویی، انعطافپذیری ساختاری، تخلخل بالا و وفور سایتهای فعال، از گزینههای مهم در کاتالیستهای نوین و فناوریهای پاک به شمار میروند. این مطالعه ضمن بررسی پیشرفتهای اخیر، رابطه ساختار و کارکرد این MOFها را تحلیل کرده و مسیرهای آینده توسعه آنها در تصفیه آلایندهها، جذب و تبدیل CO₂، اکسایش ترکیبات آلی و دیگر کاربردهای زیستمحیطی را روشن میکند.
بازخوانی پیشرفتها در MOFهای وانادیوم/منگنز برای چالشهای زیستمحیطی و واکنشهای کاتالیستی
افزایش قابل توجه فعالیتهای صنعتی در دهههای اخیر سبب شده است مسئله آلودگی هوا و تخریب محیطزیست به یکی از جدیترین چالشهای جوامع انسانی تبدیل شود. بحرانهایی مانند افزایش غلظت آلایندههای آلی، انتشار ترکیبات فرّار، تجمع دیاکسیدکربن و کاهش کیفیت منابع آب و خاک، نهتنها سلامت انسان را تهدید میکند، بلکه مسیر توسعه پایدار را نیز با اختلالهای جدی روبهرو ساخته است. همین وضعیت، ضرورت سرمایهگذاری بر فناوریهای نوآورانه و کمهزینه را که بتوانند با بازده بالا آلایندگیها را مهار کرده و همزمان امکان تولید انرژی پاک را فراهم کنند، بیش از پیش آشکار ساخته است.
در این میان، کاتالیستها نقشی اساسی دارند. این مواد با فراهمکردن سایتهای فعال بیشتر، واکنشهای شیمیایی را سریعتر، هدفمندتر و با مصرف انرژی کمتر انجام میدهند. با این حال، کاتالیستهای رایج همچنان با چالشهایی مانند پایداری پایین، هزینه بالا، سطح ویژه محدود و دشواری بازیافت روبهرو هستند. همین مسئله باعث شده پژوهشگران به دنبال نسل تازهای از مواد کاتالیستی باشند که ضمن رفع این محدودیتها، نیازهای جدی محیطزیست و صنعت را هم پاسخ دهند.
بر اساس مقاله علمی که از سوی پژوهشگران دانشگاه مراغه با همکاری دانشگاه جیاشینگ چین، دانشگاه اولو فنلاند و دانشگاه آدام میکویچ لهستان منتشر شده، چارچوبهای آلی فلزی یا MOFها یکی از امیدبخشترین پاسخها به این نیاز محسوب میشوند. این ساختارهای نانویی ترکیبی از مراکز فلزی و لیگاندهای آلی هستند که به دلیل تخلخل بسیار بالا، ساختار قابلمهندسی و امکان انتخاب فلزهای گوناگون، به موادی چندمنظوره تبدیل شدهاند.
بخش نانویی این پژوهش در همین ویژگیها نهفته است: چینش نانومقیاس حفرهها، انتخاب فلزهای دارای رفتار اکسایشیکاهشی و امکان طراحی شبکههای مولکولی دقیق موجب شده MOFها در حوزه محیطزیست و کاتالیز عملکردی فراتر از مواد معمولی ارائه کنند.
این پروژه نخستین مرور جامع بر پیشرفتهای مربوط به MOFهای مبتنی بر وانادیوم (V) و منگنز (Mn) محسوب میشود؛ دو عنصر از خانواده فلزات واسطه ردیف اول که به دلیل تغییرپذیری حالتهای اکسیداسیون، پایداری قابلقبول، فعالیت بالا و هزینه نسبتاً کم، نقش تعیینکنندهای در توسعه کاتالیستهای نوین دارند. با وجود مطالعات گسترده بر MOFهای نیکل، کبالت، مس و آهن، ساختارهای مبتنی بر وانادیوم و منگنز کمتر مورد توجه قرار گرفته بود و همین کمبود، اهمیت انتشار این مرور علمی را دوچندان میکند.
در این مقاله، انواع روشهای اصلاح و تقویت عملکرد MOFهای V و Mn بررسی شده است. پژوهشگران نشان دادهاند که تغییر در لیگاندها، کنترل شکل و اندازه نانوحفرهها، افزودن ترکیبات کمکی و ساخت کامپوزیتها میتواند پایداری، فعالیت و انتخابپذیری این مواد را به طور قابل توجهی ارتقا دهد. این اصلاحات بهویژه در واکنشهایی چون اکسایش ترکیبات آلی، اپوکسیداسیون، هیدروکسیلاسیون، اکسایش سولفیدها و کاهش دیاکسیدکربن اهمیت دارند؛ واکنشهایی که هر یک در مهار آلایندهها، تولید سوخت پاک و سنتز مواد شیمیایی ارزشمند نقش کلیدی بازی میکنند.
بخش دیگری از این مطالعه به رابطه ساختار و عملکرد اختصاص دارد. به گفته پژوهشگران، نحوه آرایش نانومقیاس فلزهای وانادیوم و منگنز در چارچوب، نوع پیونددهندههای آلی، اندازه منافذ و چگالی سایتهای فعال تعیین میکند که یک MOF چگونه در واکنشهای محیطزیستی و کاتالیستی رفتار کند. برای نمونه، ساختارهایی با حفرههای بازتر در جذب رنگهای آلی و تجزیه آنها کارآمدتر هستند، در حالی که چارچوبهای متراکمتر برای تبدیل CO₂ و واکنشهای اکسایشی انتخاب بهتری محسوب میشوند.
این مقاله افزون بر تحلیلهای بنیادی، چالشهای مقیاسپذیری و کاربرد صنعتی را نیز مطرح کرده است. MOFهای مبتنی بر منگنز و وانادیوم در محیطهای اسیدی ممکن است دچار نشت فلز شوند که خود میتواند منجر به آلودگی ثانویه شود. همچنین پایداری حرارتی، مکانیکی و شیمیایی این مواد هنوز به استانداردهای صنعتی نرسیده است. ناپایداری در محیطهای آبی یکی دیگر از چالشهاست که مانع استفاده گسترده از آنها در فرآیندهای تصفیه آب میشود.
با وجود این چالشها، پژوهشگران معتقدند مسیر توسعه این MOFها روشن است و با اصلاح ساختار، طراحی کامپوزیتها، افزایش استحکام چارچوب و استفاده از پوششهای محافظ، میتوان مقاومت و کارایی آنها را به سطح مورد نیاز صنعت رساند. بررسیهای انجامشده چشماندازی نو برای تولید نسل تازهای از کاتالیستهای ارزان، کارآمد، قابل بازیافت و مناسب برای پاکسازی محیطزیست ترسیم میکند.
در جمعبندی، پژوهشگران دانشگاه مراغه و همکاران بینالمللی آن نشان میدهند که ترکیب ویژگیهای منحصربهفرد MOFها با رفتار شیمیایی وانادیوم و منگنز میتواند به پیدایش مواد نانویی تحولآفرین در حوزههای محیطزیستی و کاتالیستی منجر شود. این پژوهش با ارائه راهکارهای ارتقای عملکرد، تحلیل ساختار و معرفی کاربردهای صنعتی، میتواند بستر توسعه نسل آینده کاتالیستها و مواد جذبکننده را فراهم کند و راه را برای دستیابی به فناوریهای پاک و کارآمد هموار سازد.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان Vanadium- and manganese-based metal-organic frameworks for potential environmental and catalysis applications در نشریه Coordination Chemistry Reviews به چاپ رسیده است.