Effetto inaspettato: il grafene nanoripple diventa un potente catalizzatore

Feb 18, 2024

Da University of Manchester16 marzo 2023

Gli scienziati hanno scoperto che le nanoincrespature nel grafene lo rendono un forte catalizzatore, anche se ci si aspettava che fosse chimicamente inerte. La loro ricerca, pubblicata su PNAS, ha dimostrato che le ondulazioni su scala nanometrica sulla superficie del grafene accelerano la scissione dell’idrogeno così come i migliori catalizzatori a base metallica, e questo effetto può essere presente in tutti i materiali 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"}]">il grafene può renderlo un potente catalizzatore, contrariamente alle aspettative generali secondo cui il foglio di carbonio è chimicamente inerte quanto la grafite sfusa da cui è ottenuto.

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"}]"> le ondulazioni su scala nanometrica della sua superficie possono accelerare la scissione dell'idrogeno così come i migliori catalizzatori a base metallica. È probabile che questo effetto inaspettato sia presente in tutti i materiali bidimensionali, che sono tutti intrinsecamente non piatti.

Il team di Manchester, in collaborazione con ricercatori cinesi e statunitensi, ha condotto una serie di esperimenti per dimostrare che la non planarità del grafene lo rende un potente catalizzatore. In primo luogo, utilizzando misurazioni ultrasensibili del flusso di gas e la spettroscopia Raman, hanno dimostrato che le ondulazioni su scala nanometrica del grafene erano collegate alla sua reattività chimica con l’idrogeno molecolare (H2) e che l’energia di attivazione per la sua dissociazione in idrogeno atomico (H) era relativamente piccola.

Grafene increspato con atomi di idrogeno dissociato in cima. Credito: Università di Manchester

Il team ha valutato se questa reattività è sufficiente per rendere il materiale un catalizzatore efficiente. A tal fine, i ricercatori hanno utilizzato una miscela di gas di idrogeno e deuterio (D2) e hanno scoperto che il grafene si comportava effettivamente come un potente catalizzatore, convertendo H2 e D2 in HD. Ciò era in netto contrasto con il comportamento della grafite e di altri materiali a base di carbonio nelle stesse condizioni. Le analisi dei gas hanno rivelato che la quantità di HD generata dal grafene monostrato era approssimativamente la stessa dei noti catalizzatori di idrogeno, come zirconia, ossido di magnesio e rame, ma il grafene era richiesto solo in piccole quantità, meno di 100 volte di quest'ultimo catalizzatori.

“Il nostro articolo mostra che il grafene indipendente è abbastanza diverso sia dalla grafite che dal grafene atomicamente piatto che sono chimicamente estremamente inerti. Abbiamo anche dimostrato che le ondulazioni su scala nanometrica sono più importanti per la catalisi rispetto ai “soliti sospetti” come posti vacanti, bordi e altri difetti sulla superficie del grafene”, ha affermato il dott. Pengzhan Sun, primo autore dell’articolo.

L’autore principale dell’articolo, il Prof. Geim, ha aggiunto: “Poiché il nanorippling si verifica naturalmente in tutti i cristalli atomicamente sottili, a causa delle fluttuazioni termiche e dell’inevitabile tensione meccanica locale, anche altri materiali 2D possono mostrare una reattività altrettanto migliorata. Per quanto riguarda il grafene, possiamo certamente aspettarci che sia cataliticamente e chimicamente attivo in altre reazioni, non solo in quelle che coinvolgono l’idrogeno”.