Efecto inesperado: el grafeno nanorizado se convierte en un potente catalizador

Feb 18, 2024

Por Universidad de Manchester 16 de marzo de 2023

Los científicos han descubierto que las nanoondulaciones del grafeno lo convierten en un potente catalizador, aunque se esperaba que fuera químicamente inerte. Su investigación, publicada en PNAS, demostró que las corrugaciones a nanoescala en la superficie del grafeno aceleran la división del hidrógeno, así como los mejores catalizadores de base metálica, y este efecto puede estar presente en todos los materiales 2D.

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"}]">El grafeno puede convertirlo en un fuerte catalizador, contrariamente a las expectativas generales de que la lámina de carbono es tan químicamente inerte como el grafito en masa del que se obtiene.

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"}]"> Las corrugaciones a nanoescala de su superficie pueden acelerar la división del hidrógeno, así como los mejores catalizadores de base metálica. Es probable que este efecto inesperado esté presente en todos los materiales bidimensionales, que son inherentemente no planos.

El equipo de Manchester, en colaboración con investigadores de China y EE. UU., llevó a cabo una serie de experimentos para demostrar que la falta de planitud del grafeno lo convierte en un fuerte catalizador. En primer lugar, utilizando mediciones de flujo de gas ultrasensibles y espectroscopía Raman, demostraron que las corrugaciones a nanoescala del grafeno estaban relacionadas con su reactividad química con el hidrógeno molecular (H2) y que la energía de activación para su disociación en hidrógeno atómico (H) era relativamente pequeña.

Grafeno ondulado con átomos de hidrógeno disociados en la parte superior. Crédito: Universidad de Manchester

El equipo evaluó si esta reactividad es suficiente para convertir el material en un catalizador eficaz. Para ello, los investigadores utilizaron una mezcla de gases de hidrógeno y deuterio (D2) y descubrieron que el grafeno efectivamente se comportaba como un potente catalizador, convirtiendo H2 y D2 en HD. Esto contrastaba marcadamente con el comportamiento del grafito y otros materiales a base de carbono en las mismas condiciones. Los análisis de gases revelaron que la cantidad de HD generada por el grafeno monocapa era aproximadamente la misma que la de los catalizadores de hidrógeno conocidos, como el circonio, el óxido de magnesio y el cobre, pero el grafeno sólo se necesitaba en cantidades minúsculas, menos de 100 veces más que este último. catalizadores.

“Nuestro artículo muestra que el grafeno independiente es bastante diferente tanto del grafito como del grafeno atómicamente plano, que son químicamente extremadamente inertes. También hemos demostrado que las corrugaciones a nanoescala son más importantes para la catálisis que los "sospechosos habituales", como huecos, bordes y otros defectos en la superficie del grafeno”, dijo el Dr. Pengzhan Sun, primer autor del artículo.

El autor principal del artículo, el profesor Geim, añadió: “Dado que la nanorización ocurre naturalmente en todos los cristales atómicamente delgados, debido a las fluctuaciones térmicas y la tensión mecánica local inevitable, otros materiales 2D también pueden mostrar una reactividad similarmente mejorada. En cuanto al grafeno, ciertamente podemos esperar que sea catalítica y químicamente activo en otras reacciones, no sólo en aquellas que involucran hidrógeno”.

“Los materiales 2D se perciben con mayor frecuencia como láminas atómicamente planas y hasta ahora se han pasado por alto los efectos causados ​​por las inevitables corrugaciones a nanoescala. Nuestro trabajo muestra que esos efectos pueden ser dramáticos, lo que tiene implicaciones importantes para el uso de materiales 2D. Por ejemplo, a menudo se emplean sulfuro de molibdeno en masa y otros calcogenuros como catalizadores 3D. Ahora deberíamos preguntarnos si podrían ser aún más activos en su forma 2D”.

Referencia: “Actividad catalítica inesperada del grafeno nanorizado” por PZ Sun, WQ Xiong, A Bera, I Timokhin, ZF Wu, A Mishchenko, MC Sellers, BL Liu, HM Cheng, E Janzen, JH Edgar, IV Grigorieva, SJ Yuan y AK Geim, 13 de marzo de 2023, Actas de la Academia Nacional de Ciencias