پژوهشگران دانشگاه لرستان در همکاری مشترک با محققان دانشگاه پلیتکنیک والنسیا اسپانیا، موفق به طراحی نانوکامپوزیتی پیشرفته بر پایه چارچوبهای آلی فلزی (MOF) و پلیمر پورفیرینی شدند. این سامانه نوری قادر است ترکیب زیستی «وانیلیل الکل» را تنها با بهرهگیری از نور مرئی و اکسیژن هوا، با گزینشپذیری و بازدهی بیش از ۹۹ درصد به «وانیلین» تبدیل کند.
به گزارش سیناپرس، این سامانه بدون نیاز به افزودنیهای شیمیایی اضافی و تنها با استفاده از اکسیژن هوا، واکنش اکسایش را انجام میدهد؛ رویکردی که با اصول شیمی سبز و تولید پایدار سازگار است. وانیلین ماده اصلی طعم و عطر وانیل بوده و در صنایع غذایی، دارویی و آرایشی کاربرد گسترده دارد. روشهای رایج تولید آن معمولاً وابسته به فرایندهای پرهزینه یا مواد آلاینده هستند.
فناوری تازه توسعهیافته در دانشگاه لرستان نهتنها بازدهی بیش از ۹۹ درصدی نشان داده، بلکه قابلیت استفاده مجدد در هفت چرخه متوالی را نیز حفظ کرده است؛ دستاوردی که میتواند راه را برای تولید صنعتی و دوستدار محیط زیست این ماده ارزشمند هموار کند.
وانیلین، مولکولی شناختهشده و پرکاربرد در جهان، ماده اصلی عطر و طعم وانیل است و در صنایع غذایی، دارویی، آرایشی و بهداشتی مصرف گستردهای دارد. تقاضای جهانی برای این ترکیب سالهاست رو به افزایش است، اما تولید پایدار و کمهزینه آن همچنان یک چالش مهم به شمار میرود. استخراج مستقیم از غلاف وانیل طبیعی گران و محدود است و روشهای سنتزی رایج نیز اغلب به مواد شیمیایی خورنده، انرژی بالا یا فرایندهای آلاینده وابستهاند. انسان برای ساخت بوی خوش، معمولاً مقدار قابلتوجهی بینظمی ایجاد میکند.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه لرستان موفق شدهاند سامانهای نوآورانه برای تولید سبز وانیلین توسعه دهند؛ سامانهای که با استفاده از نور مرئی و یک نانوکاتالیست پیشرفته، میتواند ترکیب وانیلیل الکل را با بازده و گزینشپذیری بسیار بالا به وانیلین تبدیل کند.
وانیلیل الکل یکی از ترکیبات مدل مشتقشده از لیگنین است؛ پلیمر طبیعی موجود در چوب و بقایای گیاهی که یکی از فراوانترین منابع کربنی تجدیدپذیر روی زمین محسوب میشود. تبدیل ترکیبات مشتق از لیگنین به مواد ارزشمند، یکی از مسیرهای مهم اقتصاد زیستی و شیمی پایدار به شمار میرود.
هسته اصلی این پژوهش، طراحی یک ماده هیبریدی از خانواده چارچوبهای فلزی-آلی یا MOFهاست. MOFها ساختارهایی بلوری و متخلخل هستند که از اتصال یونهای فلزی و لیگاندهای آلی ساخته میشوند و به دلیل سطح ویژه بالا، قابلیت تنظیم ساختار و ویژگیهای الکترونی، در سالهای اخیر توجه فراوانی جلب کردهاند.
پژوهشگران دانشگاه لرستان در این پروژه، از ماده UiO-۶۶(Ce)-NH۲ به عنوان پایه استفاده کردند. این چارچوب فلزی-آلی مبتنی بر سریم، با گروههای آمینی اصلاح شده و ظرفیت مناسبی برای جذب نور و واکنشهای فوتوکاتالیستی دارد.
اما بخش نانویی و نوآورانه پروژه تنها به استفاده از MOF محدود نمیشود. محققان موفق شدند سطح این ماده را با یک پلیمر کونژوگه پورفیرینی-کاتکولی بپوشانند و نانوکامپوزیتی با نام CPhP@UiO-۶۶(Ce)-NH۲ بسازند.
پورفیرینها مولکولهایی حلقوی و زیستالهام هستند که در طبیعت نیز نقش مهمی دارند؛ برای مثال در هموگلوبین خون و کلروفیل گیاهان ساختارهای مشابهی دیده میشود. این مولکولها توانایی بالایی در جذب نور و انتقال بار دارند. به همین دلیل، استفاده از آنها در طراحی مواد فوتوکاتالیستی بسیار جذاب است. طبیعت میلیاردها سال برای این طراحی زمان گذاشته و بشر طبق معمول تصمیم گرفته آن را کپی کند. این بار تصمیم بدی نبوده است.
نکته برجسته این پژوهش، روش ساخت ساده و سبز آن است. لایه پلیمری پورفیرینی بهصورت درجا و تنها با تابش نور مرئی روی سطح MOF تشکیل شده و نیازی به واکنشگرهای اضافی نداشته است. این موضوع هم هزینه ساخت را کاهش میدهد و هم فرایند را با اصول شیمی سبز سازگار میکند.
اتصال کووالانسی میان پلیمر و چارچوب فلزی-آلی، شبکهای مستحکم و یکپارچه ایجاد کرده است. این معماری مهندسیشده موجب بهبود ارتباط الکترونی میان اجزای ماده، افزایش انتقال بار و کاهش بازترکیب الکترون-حفره شده است؛ عاملی حیاتی در سامانههای نوری.
بررسیهای مختلف با روشهایی مانند FT-IR، XRD، میکروسکوپ الکترونی، BET، XPS، طیفسنجی جذب مرئی-فرابنفش، EPR و NMR حالت جامد، تشکیل موفق این ساختار جدید را تأیید کردهاند. به زبان ساده، دانشمندان از هر ابزار معقولی استفاده کردهاند تا مطمئن شوند ماده واقعاً همان چیزی است که ادعا میشود، نه صرفاً یک خیال خوشساخت.
این نانوکامپوزیت تحت نور کممصرف LED توانسته گونههای فعال اکسیژن (ROS) تولید کند. در میان آنها، اکسیژن یگانه یا ¹O₂ نقش مهمی در اکسایش انتخابی وانیلیل الکل داشته است.
نتیجه واکنش چشمگیر بوده است: تبدیل وانیلیل الکل به وانیلین با بازده و گزینشپذیری بیش از ۹۹ درصد انجام شده است. این یعنی تقریباً تمام ماده اولیه به محصول مطلوب تبدیل شده و واکنشهای جانبی ناخواسته بسیار ناچیز بودهاند.
یکی از مشکلات رایج در اکسایش ترکیبات آلی، اکسایش بیش از حد محصول نهایی است. برای مثال، وانیلین ممکن است به اسیدهای دیگر تبدیل شود و ارزش اقتصادی فرایند کاهش یابد. اما این سامانه توانسته بدون اکسایش بیشتر آلدهید آروماتیک، واکنش را دقیقاً در نقطه مطلوب متوقف کند. اتفاقی کمیاب، چه در شیمی و چه در زندگی.
از مزایای دیگر این ماده، سطح ویژه بالا، پایداری حرارتی مناسب و قابلیت استفاده مجدد است. پژوهشگران نشان دادند کاتالیست در هفت چرخه متوالی همچنان عملکرد مطلوب خود را حفظ کرده و ساختار آن نیز پایدار مانده است. این موضوع برای کاربرد صنعتی بسیار مهم است، زیرا کاتالیستی که فقط یک بار خوب عمل کند، بیشتر شبیه نمایش است تا فناوری.
به نقل از نانو ایران، اهمیت این دستاورد فراتر از تولید وانیلین است. این پژوهش نشان میدهد میتوان با الهام از ساختارهای زیستی، ترکیب MOFها با پلیمرهای هوشمند و استفاده از نور مرئی، نسل تازهای از فوتوکاتالیستهای سفارشی طراحی کرد. چنین موادی میتوانند در آینده در تولید مواد شیمیایی ارزشمند، تصفیه محیط زیست، تبدیل زیستتوده و ذخیره انرژی کاربرد داشته باشند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Visible Light-Driven Synthesis of a Bioinspired Porphyrin-Based Polymer-Coated MOF for Efficient and Selective Photocatalytic Oxidation of Vanillyl Alcohol to Vanillin به چاپ رسیده است.