Nanorimpelingen in grafeen kunnen er een sterke katalysator van maken

Een team van onderzoekers onder leiding van prof. Andre Geim van het National Graphene Institute (NGI) heeft ontdekt dat nanorimpelingen in grafeen het een sterke katalysator kunnen maken, in tegenstelling tot de algemene verwachting dat de koolstofplaat even chemisch inert is als het bulkgrafiet waaruit het is gemaakt. is verkregen.

Deze week verschenen in de Procedures van de National Academy of Sciences, heeft het onderzoek aangetoond dat grafeen met golvingen op nanoschaal de splitsing van waterstof kan versnellen, evenals de beste op metaal gebaseerde katalysatoren. Dit onverwachte effect is waarschijnlijk aanwezig in alle tweedimensionale materialen, die allemaal inherent niet-plat zijn.

Het Manchester-team heeft in samenwerking met onderzoekers uit China en de VS een reeks experimenten uitgevoerd om aan te tonen dat niet-vlakheid van grafeen het een sterke katalysator maakt. Eerst toonden ze met behulp van ultragevoelige gasstroommetingen en Raman-spectroscopie aan dat de golvingen op nanoschaal van grafeen verband hielden met de chemische reactiviteit ervan met moleculaire waterstof (H₂) en dat de activeringsenergie voor zijn dissociatie in atomaire waterstof (H) relatief klein was.

Het team evalueerde of deze reactiviteit voldoende is om van het materiaal een efficiënte katalysator te maken. Hiervoor gebruikten de onderzoekers een mengsel van waterstof en deuterium (D₂) gassen en ontdekte dat grafeen zich inderdaad gedroeg als een krachtige katalysator die H₂ en D₂ naar HD. Dit stond in schril contrast met het gedrag van grafiet en andere op koolstof gebaseerde materialen onder dezelfde omstandigheden. Uit de gasanalyses bleek dat de hoeveelheid HD gegenereerd door monolaag grafeen ongeveer hetzelfde was als voor de bekende waterstofkatalysatoren, zoals zirkoniumoxide, magnesiumoxide en koper, maar grafeen was slechts in kleine hoeveelheden nodig, minder dan 100 keer de laatstgenoemde katalysatoren. .

“Ons artikel laat zien dat vrijstaand grafeen behoorlijk verschilt van zowel grafiet als atomair vlak grafeen die chemisch extreem inert zijn. We hebben ook bewezen dat golvingen op nanoschaal belangrijker zijn voor katalyse dan de ‘gebruikelijke verdachten’ zoals vacatures, randen en andere defecten op grafeen’s oppervlak,” zei Dr. Pengzhan Sun, eerste auteur van het artikel.

Hoofdauteur van het artikel Prof. Geim voegde eraan toe: “Aangezien nanorippling van nature voorkomt in alle atomair dunne kristallen, vanwege thermische fluctuaties en onvermijdelijke lokale mechanische belasting, kunnen andere 2D-materialen ook een vergelijkbare verbeterde reactiviteit vertonen. Wat grafeen betreft, kunnen we het zeker verwachten. om katalytisch en chemisch actief te zijn in andere reacties, niet alleen die met waterstof.”

“2D-materialen worden meestal gezien als atomair vlakke platen, en effecten veroorzaakt door onvermijdelijke golvingen op nanoschaal zijn tot nu toe over het hoofd gezien. Ons werk laat zien dat die effecten dramatisch kunnen zijn, wat belangrijke implicaties heeft voor het gebruik van 2D-materialen. Bijvoorbeeld bulk molybdeensulfide en andere chalcogeniden worden vaak gebruikt als 3D-katalysatoren. Nu zouden we ons moeten afvragen of ze in hun 2D-vorm nog actiever zouden kunnen zijn.”