Karbonun Yeni Formu Keşfedildi – “Tamamen Yeni Olanaklara Kapı Açıyor”

Karbonun Yeni Formu Keşfedildi – “Tamamen Yeni Olanaklara Kapı Açıyor”
Karbonun Yeni Formu Keşfedildi – “Tamamen Yeni Olanaklara Kapı Açıyor”
Carbon Element Concept

Ekip, bu yeni karbon formunun enerji toplama, dönüştürme ve depolama, kimyasalların üretimini katalize etme ve moleküler iyonları veya gazları ayırmada potansiyel uygulamalarını öngörüyor.

{6 }Karbonun yeni formu, fullerenlerin lityum nitrür ile ısıtılmasıyla oluşturulur.

Karbonun en bilinen biçimleri grafit ve elmastır, ancak grafen ve fullerenler gibi karbonun başka benzersiz nano ölçekli allotropları da vardır. Bunlar, sıfır (düz biçimli) veya pozitif (küre biçimli) eğriliğe sahip sp2 hibritleştirilmiş karbon yapılarıdır.

Bu arada, sp2 negatif eğriliğe sahip hibrit karbon, “schwarzite” olarak adlandırılır ve teorik olarak önerilmiştir ve onun keşif, karbon malzemeleri alanında çalışan bazı bilim adamlarının hayali olmuştur. Karbonun buhar biriktirme yoluyla belirli zeolitlerin bazı periyodik gözeneklerine kalıplanabileceği, ancak bazı gözeneklerin çok dar olması nedeniyle kalıplamanın eksik olduğu öğrenildi. Bu, rotaları şablonlayarak karbon schwartzites yapmayı engelledi.

Kısa bir süre önce, Güney Kore Temel Bilimler Enstitüsü (IBS) bünyesindeki Çok Boyutlu Karbon Malzemeler Merkezi’nden, Direktör Rodney Ruoff ve şuradaki meslektaşları tarafından yönetilen bir araştırma ekibi: Profesör Yanwu Zhu liderliğindeki Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, karbonun yeni bir formunun keşfedildiğini bildirdi.

Carbon Microstructure Characterization

a) Orijinal C60 parçacıklarının TEM görüntüsü. b) Ekte bir FFT ile büyütülmüş görünüm. c) fcc C60’ın (111) (0,81 nm) ve (220) düzlemlerinin (0,49 nm) aralıklarını gösteren yüksek çözünürlüklü görüntü. d) LOPC parçacıklarının tipik TEM görüntüsü. e) Büyütülmüş görünüm ve FFT. f) LOPC kristalinde deforme olmuş ve bağlı kafesleri gösteren yüksek çözünürlüklü görüntü. g) Polimer kristal parçacıklarının tipik TEM görüntüsü. h) Büyütülmüş görünüm ve FFT. i) Polimer kristalde etiketlenmiş merkezden merkeze mesafelere sahip ayrı ayrı C60 kafeslerini gösteren yüksek çözünürlüklü görüntü; önerilen yapı, her karbon için c, f ve i’de turuncu renkli üst katmanlarla gösterilmiştir. j) Orijinal C60, LOPC ve polimer kristal için Neutron PDF. Mesafeler, bir C60 kafesinin çapı olan 0,7 nm’nin altındaki ana tepe noktaları için etiketlenmiştir. Yeşil oklar, orijinal C60’a kıyasla LOPC ve polimer kristalindeki tepe konumlarındaki ve yoğunluklardaki değişiklikleri gösterir. Kredi: Temel Bilimler Enstitüsü

USCT ekibine liderlik eden Zhu, “Profesör Ruoff, matematikçi Schwartz tarafından açıklanan üçlü periyodik minimal yüzeylere olan ilgisini ve üç değerlikli bağlı karbonun nasıl ilkesi, matematiksel yapılarda özdeş yapılar verir. Bunlar artık “karbon schwarzite” yapıları olarak adlandırılıyor ve buna “negatif eğrilikli karbon” da denilebilir. Ona yıllar önce bunun heyecan verici bir araştırma konusu olduğunu ve önerisi üzerinde işbirliği yapmanın yollarını bulmanın mümkün olabileceğini söyledim.”

Bu yeni karbon formu, C60 fulleren (buckminsterfullerene, “” olarak da bilinir) kullanılarak üretildi. temel malzeme olarak buckyball molekülleri”) tozu. C60 α-Li3N (“alfa lityum nitrür”) ile karıştırıldı ve ardından bir atmosfer basınçta tutulurken orta sıcaklıklara ısıtıldı. α-Li3N’nin C60’taki bazı karbon-karbon bağlarının kırılmasını katalize ettiği ve daha sonra C60 moleküllerine elektron transferi yoluyla komşu C60 molekülleriyle yeni C-C bağlarının oluştuğu öğrenildi.

Ruoff şunları söyledi: “Bu özel çabada, USTC’deki Prof. Zhu ve ekibi, kristalin fullerenden başlayarak yeni bir karbon türünün oluşumunu sağlamak için güçlü bir elektron transfer maddesi (α-Li3N) kullandı.”

Carbon Morphological and Structural Characterizations

a) Atomik yapı modelleri, optik ve SEM görüntüleri. b) Cu Ka (λ = 0,15418 nm) Önerilen atomik yapı modeline dayalı LOPC için simülasyonlu X-ışını kırınım modelleri. AU, isteğe bağlı birimler. c) LOPC-550 vb. tarafından belirtilen sıcaklık ile LOPC’lerin X-ışını kırınım modelleri.d) Orijinal C60, LOPC ve polimer kristal için Raman spektrumları. e) 13C MAS-SSNMR spektrumları. Pembe çizgi, polimer kristali için Lorentz doruklarının uyumunu gösterir; *spin yan bantlarını gösterir. f) LOPC’ler için düşük basınçlı Ar (87,3 K) adsorpsiyon/desorpsiyon izotermleri ve (ek) gözenek boyutu dağılımı (DFT denge modeliyle yarık gözenek kullanılarak hesaplanmıştır), etiketli belirli yüzey alanı değerleri (m2 g−1) ile izoterm eğrilerinin her birinin üzerinde. Kredi: Temel Bilimler Enstitüsü

Profesör Zhu ve ekibi yeni karbonlarına “uzun menzilli sıralı gözenekli karbon” (LOPC) adını verdiler.

LOPC, “kırık C60 kafeslerinden” oluşuyor uzun menzilli periyodiklik ile bağlantılıdır. Yani, kırılmış C60 kafeslerinin her biri hala yüz merkezli kübik kafesin kafes bölgelerinde ortalanmıştır, ancak bir dereceye kadar “açılmış” ve birbirleriyle bağ oluşturmuşlardır. Bu biraz sıra dışı bir durum – belirli bir türde hala uzun vadeli periyodik düzen var, ancak her kırılan C60 kafesi komşularıyla aynı değil.

LOPC oluşumunun dar koşullar altında meydana geldiği bulundu. sıcaklıklar ve karbon/Li3N oranı koşulları. Karbon ve Li3N arasında 5:1 oranında 550 °C’ye kadar ısıtma, bucky toplarının kısmen yok olmasına (bazı C-C bağlarının kırılmasına) neden olur ve bu da LOPC’de bulunan “kırık C60 kafesi” yapısının keşfedilmesiyle sonuçlanır.{ 1}

480 oC’lik daha hafif bir sıcaklık veya daha düşük Li3N seviyesi, bunun yerine bir “C60 polimer kristali” oluşturmak üzere bir araya gelen bucky toplarına zarar vermez. Bu kristal, yeniden ısıtıldığında bireysel bucky toplarına ayrışır. Bu arada, çok fazla Li3N eklenmesi veya 600 oC’nin üzerinde daha sert bir sıcaklık, bucky toplarının tamamen parçalanmasına neden oldu.

Carbon Simulations and In Situ MAS SSNMR

a) FCC C60’ın Steinhardt tipi sipariş parametresiyle ifade edilen potansiyel enerji yüzeyi ( OP). Elde edilen karbonların geometrik özelliklerine göre, gözü yönlendirmek için beş ayrı bölge daire içine alınmış ve bunlardan dördü için temsili yapılar listelenmiştir: (A) fcc C60, (B) 1D fulleren polimer zincirlerinden oluşan polimer kristali, ( C) 2B fulleren polimer ağdan oluşan polimer kristali, (D) bağlantı olarak halkalarla birlikte 2B fulleren polimer ağdan oluşan polimer kristali, (E) tüpler arası polimerizasyonlu 1B fıstık biçimli tüp, (F) açık kafesli fıstık biçimli tüp, (G) 3B bağlantılı grafen benzeri yapı, (H) 2B kavisli grafen benzeri yapı, (I) 2H grafit ve (J) artık karbin. b) 500 mg C60 100 mg α-Li3N ile ısıtılırken yerinde MAS-SSNMR verilerinden elde edilen sıcaklığa bağlı 13C kimyasal kayma spektrumu. c) Li adsorpsiyonu olmadan (‘0 Li’) iki izole C60 kafesinin 2+2 polimerizasyonunun hesaplanan reaksiyon enerjisi yolu; sp3 bağı (‘1 Li uzak’). Kredi: Temel Bilimler Enstitüsü

Bu yeni karbon, çeşitli yöntemlerle karakterize edildi ve (aslında) yine de varlığını sürdüren biraz farklı ‘kırık C60 kafesleri’ çeşitliliği nedeniyle karakterizasyonu kolay olmadı. standart bir yüz merkezli kübik kristal kafes içindeki konumları. Bu yeni karbon formunun yapısını anlamak için X-ışını kırınımı, Raman spektroskopisi, sihirli açılı dönen katı hal nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, sapma düzeltmeli transmisyon elektron mikroskobu ve nötron saçılması kullanıldı. Yukarıda bahsedilen deneysel yöntemlerle birleştirilen bir sinir ağı tipi modellemeye dayalı sayısal simülasyonlar, LOPC’nin “fulleren tipi” karbonlardan “grafen tipi” karbonlara dönüşüm sırasında üretilen yarı kararlı bir yapı olduğunu göstermektedir.

“Karbon K-kenarına yakın X-ışını soğurma ince yapısı” verileri, LOPC’de elektronların C60’a göre daha yüksek derecede delokalizasyon gösterdiğini gösterir. Elektriksel iletkenliğin oda sıcaklığında 1,17 × 10−2 S cm−1 olduğu bulundu ve 30 Kelvin’den düşük bir sıcaklıkta iletim, taşıyıcı sekmesiyle noktalanan kısa mesafelerde metalik benzeri taşınımın bir kombinasyonu gibi görünüyor. Bu elektriksel özellikleri bilmek, böyle yeni bir karbon türü için hangi olası uygulamaların olabileceğini açıklamak açısından önemlidir.

Ruoff, “Bu yeni ve güzel karbon türü pek çok büyüleyici özelliğe sahip olsa da, bir karbon schwarzite değildir. , böylece deneysel meydan okuma hala ufukta kalıyor! Gerçekten de, bu karbon farklı ve benzersiz bir şey; karbon malzemeleri için yeni yönlerde tamamen yeni olanaklar sunuyor.”

Carbon DOS, NEXAFS and Electrical Conductivity Measurements

a) Durumların yoğunluğu.Ekler, ilk belirgin tepe noktası için uyarılmış atomların simüle edilmiş son durum moleküler orbitallerini gösterir (orijinal C60 için 284,4 eV, LOPC için 285,0 eV veya polimer kristali için 284,2 eV). Mavi işaretli atomlar uyarılmış atomlardır (izodeğer = 0,02). c) Her bir karbonun ağırlıkça %5 politetrafloroetilen ile karıştırılmasıyla yapılan üç zarın doğru akım voltaj-akım eğrileri. Ek, ordinatın büyütülmüş bir görünümünü gösterir. Eğrilerden hesaplanan elektrik iletkenlikleri, orijinal C60, polimer kristal ve LOPC için sırasıyla 2,44 × 10−9 S cm−1, 7,39 × 10−8 S cm−1 ve 1,17 × 10−2 S cm-1’dir. . d) LOPC’ler, grafit tozu ve rGO tozu için direnç testi. Ek, LOPC’nin tavlama sıcaklığı ile g değerinin değişimini gösterir. Kredi: Temel Bilimler Enstitüsü

LOPC’nin hazırlanması, C60(lar)dan ve belki de C70, C76, C84 gibi diğer fullerenlerden başlayarak diğer kristal karbonların keşfedilmesinin yolunu açar. Açık. Diğer heyecan verici seçenekler, başka bir unsuru dahil etmek olacaktır. Bu, M@ C60 gibi “endohedral” fullerenler ile başlanarak yapılabilir; burada M, tamamen karbon fulleren kafesinin içinde kapsüllenmiş lantan veya diğerleri gibi bir element olabilir.

Ekip görüyor enerjinin toplanması, dönüştürülmesi ve depolanmasında olası uygulamalar; kimyasal ürünler üretmek için katalizde; ve moleküler iyonların veya gazların ayrılması için. Nature makalelerinde de vurgulanan önemli bir husus, sentezin ölçeklenebilirliğidir. Zhu, kolayca bir kilogram ölçeğine ölçeklendirilebileceğini ve sürekli üretim süreçleriyle ton ölçeğinde üretim elde etmenin mümkün olabileceğini belirtiyor.

“Yanwu, sentezde başlangıçtaki bazı başarılardan sonra beni bu çabaya katılmaya davet etti ve projelerinde umut verici ilk adımlar attılar ve neyse ki, devam etmekte olan bilim hakkında bazı faydalı önerilerde bulunabildim ve şu anda Nature’da yayınlanan bu çalışmanın tamamlanmasına kadar. Sentez ve uygulamalı deneysel çalışmalar için kredi tamamen Yanwu ve ekibine aittir. Ruoff, yapılacak bazı analizler ve bunlardan neler öğrenilebileceği de dahil olmak üzere belirli konularda bazı tavsiyelerde bulunmak benim için bir zevkti,” diye belirtiyor Ruoff. “Meslektaşlarla işbirliği, bilim yapmanın zevklerinden biridir. Buradaki konu, yönettiğim ve UNIST’te bulunan CMCM merkezimizin çıkarlarıyla mükemmel bir şekilde uyumlu yeni bir karbon formuydu. Bu nedenle, heyecanla ve yararlı şekillerde katkıda bulunmaya büyük bir hevesle ortak çalışmaya atladım!”

Zhu, “Profesör Ruoff, karbon malzemeleri konusunda ve ayrıca genel olarak efsanevi bir bilim adamıdır. Onun araştırma grubunda 3 yıl 3 ay doktora sonrası araştırmacı olarak bulundum ve bu yıllar boyunca ondan temel bilimin nasıl yapılacağına dair çok şey öğrendim. Aslında, doktora sonrası olarak son yıllarım, sonunda Science’ta yayınlanan ve aynı zamanda grafen benzeri tabakalara dayalı üç değerlikli bağlı karbon hakkında olan çalışma hakkında onunla günlük olarak çok yakın diyalog içinde geçti. Ben ve ekibim, çabalarımıza katıldığı için çok mutlu olduk ve Nature’da yayınlanan makalemizde anlattığımız bilime güçlü bir şekilde katkıda bulundu.”

Referans: “C60’tan üretilen uzun menzilli sıralı gözenekli karbonlar” Fei Pan, Kun Ni, Tao Xu, Huaican Chen, Yusong Wang, Ke Gong, Cai Liu, Xin Li, Miao-Ling Lin, Shengyuan Li, Xia Wang, Wensheng Yan, Wen Yin, Ping-Heng Tan, Litao Sun, Dapeng Yu, Rodney S. Ruoff ve Yanwu Zhu, 11 Ocak 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05532-0

Çalışma, Enstitü tarafından finanse edildi Temel Bilimler için.

.