Nieuw ontdekte vellen nano-‘kubussen’ blijken efficiënte katalysatoren te zijn

Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben vellen van overgangsmetaal-chalcogenide-“kubussen” gemaakt die verbonden zijn door chlooratomen. Hoewel vellen van atomen uitgebreid bestudeerd zijn, bijvoorbeeld grafeen, heeft het team’s werk breekt nieuw terrein door in plaats daarvan clusters te gebruiken. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde materialen.

Het team slaagde erin nanoribbons te vormen in koolstofnanotubes voor structurele karakterisering, terwijl ze ook microscopische vellen kubussen vormden die geëxfolieerd en onderzocht konden worden. Deze bleken een uitstekende katalysator te zijn voor het genereren van waterstof.

Tweedimensionale materialen vormen een doorbraak in de nanotechnologie. Ze bieden materialen met bijzondere elektronische en fysieke eigenschappen die specifiek zijn voor hun plaatachtige aard.

Hoewel grafeen bekend is, is er ook veel aandacht geweest voor overgangsmetaalchalcogeniden (TMC’s), samengesteld uit een overgangsmetaal en een groep 16-element zoals zwavel of selenium. Nanosheets van TMC’s blijken bijvoorbeeld licht te kunnen uitzenden en uitstekende prestaties te leveren als transistors.

Hoewel er in rap tempo vooruitgang wordt geboekt, gaat het in de meeste gevallen nog steeds om het vormen van de juiste kristalstructuur door atomen in plaatvormige geometrieën.

Een team van onderzoekers van Tokyo Metropolitan University onder leiding van assistent-professor Yusuke Nakanishi werd geïnspireerd om een ​​andere aanpak te proberen: is het mogelijk om in plaats daarvan TMC-clusters te gebruiken en ze in tweedimensionale patronen te rangschikken? Deze nieuwe route naar het samenstellen van nanosheets zou een compleet andere klasse van nanomaterialen opleveren.

Het team richtte zich op kubieke “superatomische” clusters van molybdeen en zwavel. Ze lieten hun materiaal groeien uit een damp van molybdeen (V) chloride en zwavel in de nanoschaalgrenzen van koolstofnanotubes.

De nanoribbons die gekweekt worden, zijn goed geïsoleerd en kunnen duidelijk in beeld gebracht worden met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Ze bevestigden dat hun materiaal bestond uit geïsoleerde molybdeensulfide “kubussen” verbonden door chlooratomen, verschillend van kubische structuren gevonden in bulkmaterialen.

Maar om het materiaal bruikbaar te maken in toepassingen, moet het in grotere afmetingen worden gemaakt. In hetzelfde experiment vond het team een ​​schilferig materiaal dat de binnenkant van hun glazen reactiebuis bedekte.

Door de vaste stof van de wanden te scheiden, ontdekten ze dat het bestond uit relatief grote microscopische vlokken die waren samengesteld uit dezelfde superatomaire clusters, gerangschikt in een hexagonaal patroon. Hoewel het team nog maar net is begonnen met het verkennen van het potentieel van hun nieuwe materiaal, hebben ze theoretisch al aangetoond dat dezelfde structuur onder kleine spanningen licht kan uitzenden.

Ze ontdekten ook dat het een effectieve katalysator zou kunnen zijn voor de waterstofevolutiereactie (HER), die het vaakst wordt gezien wanneer waterstof wordt gegenereerd terwijl er stroom door water gaat. Vergeleken met molybdeendisulfide, zelf een veelbelovend katalytisch materiaal, vertoonde het nieuwe gelaagde materiaal een aanzienlijk hogere stroom bij lagere spanningen bij het meten, wat duidt op een grotere efficiëntie.

Terwijl daar’En er komt nog meer: ​​hun nieuwe aanpak voor het samenstellen van nanosheets belooft een heel scala aan nieuwe, rationeel ontworpen materialen met opwindende nieuwe functies.