Неожиданный эффект: нанорифленый графен становится мощным катализатором

Feb 18, 2024

Манчестерский университет, 16 марта 2023 г.

Ученые обнаружили, что нанорябь в графене делает его сильным катализатором, хотя ожидалось, что он будет химически инертным. Их исследование, опубликованное в PNAS, продемонстрировало, что наноразмерные гофры на поверхности графена ускоряют расщепление водорода так же, как и лучшие катализаторы на металлической основе, и этот эффект может присутствовать во всех 2D-материалах.

A team of researchers led by Prof. Andre Geim from the National Graphene Institute (NGI) have discovered that nanoripples in grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">графен может сделать его сильным катализатором, вопреки общим ожиданиям, что углеродный лист так же химически инертен, как и объемный графит, из которого он получен.

Published this week in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), the research has shown that graphene with nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> наноразмерные гофры его поверхности могут ускорить расщепление водорода так же, как и лучшие катализаторы на металлической основе. Этот неожиданный эффект, вероятно, будет присутствовать во всех двумерных материалах, которые по своей природе не плоские.

Манчестерская команда в сотрудничестве с исследователями из Китая и США провела серию экспериментов, чтобы показать, что неплоскостность графена делает его сильным катализатором. Во-первых, используя сверхчувствительные измерения расхода газа и рамановскую спектроскопию, они продемонстрировали, что наноразмерные гофры графена связаны с его химической активностью по отношению к молекулярному водороду (H2) и что энергия активации его диссоциации на атомарный водород (H) была относительно небольшой.

Волнистый графен с диссоциированными атомами водорода сверху. Кредит: Манчестерский университет.

Команда оценила, достаточна ли эта реакционная способность, чтобы сделать материал эффективным катализатором. С этой целью исследователи использовали смесь газов водорода и дейтерия (D2) и обнаружили, что графен действительно действует как мощный катализатор, превращая H2 и D2 в HD. Это резко контрастировало с поведением графита и других материалов на основе углерода в тех же условиях. Газовый анализ показал, что количество HD, генерируемого монослойным графеном, было примерно таким же, как и для известных водородных катализаторов, таких как диоксид циркония, оксид магния и медь, но графен требовался лишь в небольших количествах, менее чем в 100 раз превышающих последнее. катализаторы.

«Наша статья показывает, что отдельно стоящий графен сильно отличается как от графита, так и от атомарно плоского графена, которые химически чрезвычайно инертны. Мы также доказали, что наноразмерные гофры более важны для катализа, чем «обычные подозреваемые», такие как вакансии, края и другие дефекты на поверхности графена», — сказал доктор Пэнчжан Сунь, первый автор статьи.

Ведущий автор статьи профессор Гейм добавил: «Поскольку нанорябь естественным образом возникает во всех атомно тонких кристаллах из-за тепловых флуктуаций и неизбежной локальной механической деформации, другие 2D-материалы также могут демонстрировать аналогичную повышенную реакционную способность. Что касается графена, мы, безусловно, можем ожидать, что он будет каталитически и химически активен в других реакциях, не только с участием водорода».