Bilim adamları, kimyasal olarak inert olması beklenmesine rağmen grafendeki nano dalgacıkların onu güçlü bir katalizör yaptığını keşfettiler. PNAS’ta yayınlanan araştırmaları, grafenin yüzeyindeki nano ölçekli olukların hidrojen parçalanmasını ve en iyi metalik bazlı katalizörleri hızlandırdığını gösterdi ve bu etki tüm 2D malzemelerde mevcut olabilir.
Bir ekip Ulusal Grafen Enstitüsü’nden (NGI) Prof. Andre Geim liderliğindeki araştırmacılar, karbon levhanın elde edildiği dökme grafit kadar kimyasal olarak inert olduğu yönündeki genel beklentilerin aksine, grafendeki nano dalgacıkların onu güçlü bir katalizör haline getirebileceğini keşfettiler.
Bu hafta Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı’nda (PNAS) yayınlanan araştırma, yüzeyinde nano ölçekli oluklu grafenin hidrojen parçalanmasını ve en iyi metalik bazlı katalizörleri hızlandırabileceğini gösterdi. Bu beklenmeyen etkinin, doğası gereği düz olmayan tüm iki boyutlu malzemelerde olması muhtemeldir.
Manchester ekibi, Çin ve ABD’den araştırmacılarla iş birliği içinde bir dizi deney gerçekleştirerek, düz olmayan malzemeler olduğunu gösterdi. Grafenin düzlüğü onu güçlü bir katalizör yapar. İlk olarak, ultra hassas gaz akışı ölçümleri ve Raman spektroskopisi kullanarak, grafenin nano ölçekli oluklarının moleküler hidrojen (H2) ile kimyasal reaktivitesine bağlı olduğunu ve atomik hidrojene (H) ayrışması için aktivasyon enerjisinin nispeten küçük olduğunu gösterdiler.
Üstünde ayrışmış hidrojen atomları olan dalgalı grafen. Kredi: Manchester Üniversitesi
Ekip, bu reaktivitenin malzemeyi verimli bir katalizör yapmak için yeterli olup olmadığını değerlendirdi. Bu amaçla, araştırmacılar hidrojen ve döteryum (D2) gazlarının bir karışımını kullandılar ve grafenin gerçekten de H2 ve D2’yi HD’ye dönüştüren güçlü bir katalizör gibi davrandığını buldular. Bu, aynı koşullar altında grafit ve diğer karbon bazlı malzemelerin davranışıyla taban tabana zıttı. Gaz analizleri, tek katmanlı grafen tarafından üretilen HD miktarının, zirkonya, magnezyum oksit ve bakır gibi bilinen hidrojen katalizörleriyle yaklaşık olarak aynı olduğunu, ancak grafenin yalnızca küçük miktarlarda, ikincisinin 100 katından daha az gerekli olduğunu ortaya çıkardı. katalizörler.
“Kağıdımız, bağımsız grafenin, kimyasal olarak son derece inert olan hem grafit hem de atomik olarak düz grafenden oldukça farklı olduğunu gösteriyor. Makalenin baş yazarı Dr. Pengzhan Sun, “Ayrıca nano ölçekli olukların, grafen yüzeyindeki boşluklar, kenarlar ve diğer kusurlar gibi “olağan şüphelilerden” daha önemli olduğunu kanıtladık” dedi.
Makalenin baş yazarı Prof. Geim şunları ekledi: “Termal dalgalanmalar ve kaçınılmaz yerel mekanik zorlanma nedeniyle tüm atomik ince kristallerde nano dalgalanma doğal olarak meydana geldiğinden, diğer 2B malzemeler de benzer şekilde gelişmiş reaktivite gösterebilir. Grafene gelince, onun yalnızca hidrojen içerenlerde değil, diğer reaksiyonlarda da katalitik ve kimyasal olarak aktif olmasını kesinlikle bekleyebiliriz.”
“2D malzemeler genellikle atomik olarak düz levhalar olarak algılanır ve etkiler kaçınılmaz nano ölçeğin neden olduğu etkilerdir. oluklar şimdiye kadar göz ardı edilmiştir. Çalışmamız, bu etkilerin 2B malzemelerin kullanımı için önemli sonuçları olan dramatik olabileceğini gösteriyor. Örneğin, toplu molibden sülfid ve diğer kalkojenitler genellikle 3D katalizörler olarak kullanılır. Şimdi 2B formlarında daha da aktif olup olamayacaklarını merak etmeliyiz.”
Referans: “Nano dalgalı grafenin beklenmedik katalitik aktivitesi”, yazan P. Z. Sun, W. Q. Xiong, A. Bera, I. Timokhin, Z. F. Wu , A. Mishchenko, M. C. Sellers, B. L. Liu, H. M. Cheng, E. Janzen, J. H. Edgar, I. V. Grigorieva, S. J. Yuan ve A. K. Geim, 13 Mart 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2300481120