Ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Andre Geim vom National Graphene Institute (NGI) hat entdeckt, dass Nanorippel in Graphen es zu einem starken Katalysator machen können, entgegen der allgemeinen Erwartung, dass die Kohlenstoffschicht chemisch so inert ist wie das Bulk-Graphit, aus dem sie besteht erhalten wird.
Erschienen diese Woche im Proceedings of the National Academy of Sciences, hat die Forschung gezeigt, dass Graphen mit nanoskaligen Riffelungen auf seiner Oberfläche die Wasserstoffspaltung beschleunigen kann, ebenso wie die besten Katalysatoren auf Metallbasis. Dieser unerwartete Effekt ist wahrscheinlich in allen zweidimensionalen Materialien vorhanden, die alle von Natur aus nicht flach sind.
Das Manchester-Team führte in Zusammenarbeit mit Forschern aus China und den USA eine Reihe von Experimenten durch, um zu zeigen, dass die Unebenheit von Graphen es zu einem starken Katalysator macht. Zunächst zeigten sie mithilfe ultraempfindlicher Gasflussmessungen und Raman-Spektroskopie, dass die nanoskaligen Riffelungen von Graphen mit seiner chemischen Reaktivität mit molekularem Wasserstoff (H2) verbunden waren und dass die Aktivierungsenergie für seine Dissoziation in atomaren Wasserstoff (H) relativ gering war.
Das Team bewertete, ob diese Reaktivität ausreicht, um das Material zu einem effizienten Katalysator zu machen. Zu diesem Zweck verwendeten die Forscher eine Mischung aus Wasserstoff- und Deuteriumgas (D2) und stellten fest, dass sich Graphen tatsächlich als starker Katalysator verhielt und H2 und D2 in HD umwandelte. Dies stand in krassem Gegensatz zum Verhalten von Graphit und anderen Materialien auf Kohlenstoffbasis unter den gleichen Bedingungen. Die Gasanalysen ergaben, dass die Menge an HD, die durch einschichtiges Graphen erzeugt wird, ungefähr dieselbe war wie bei den bekannten Wasserstoffkatalysatoren wie Zirkonoxid, Magnesiumoxid und Kupfer, aber Graphen wurde nur in winzigen Mengen benötigt, weniger als 100-mal so viel wie die letzteren Katalysatoren .
„Unsere Arbeit zeigt, dass sich freistehendes Graphen sowohl von Graphit als auch von atomar flachem Graphen, die chemisch extrem inert sind, deutlich unterscheidet. Wir haben auch bewiesen, dass nanoskalige Wellen für die Katalyse wichtiger sind als die ‚üblichen Verdächtigen‘ wie Leerstellen, Kanten und andere Defekte Oberfläche von Graphen“, sagte Dr. Pengzhan Sun, Erstautor der Veröffentlichung.
Der Hauptautor der Veröffentlichung, Prof. Geim, fügte hinzu: „Da Nanorippling aufgrund von thermischen Schwankungen und unvermeidbarer lokaler mechanischer Belastung natürlicherweise in allen atomar dünnen Kristallen auftritt, können auch andere 2D-Materialien eine ähnlich erhöhte Reaktivität aufweisen. Was Graphen betrifft, können wir dies sicherlich erwarten.“ bei anderen Reaktionen katalytisch und chemisch aktiv zu sein, nicht nur bei denen, an denen Wasserstoff beteiligt ist.“
„2D-Materialien werden am häufigsten als atomar flache Schichten wahrgenommen, und Effekte, die durch unvermeidliche Wellen im Nanobereich verursacht werden, wurden bisher übersehen. Unsere Arbeit zeigt, dass diese Effekte dramatisch sein können, was wichtige Auswirkungen auf die Verwendung von 2D-Materialien hat. Zum Beispiel Masse Molybdänsulfid und andere Chalkogenide werden oft als 3D-Katalysatoren eingesetzt. Nun sollten wir uns fragen, ob sie in ihrer 2D-Form noch aktiver sein könnten.“
Mehr Informationen:
PZ Sun et al., Unerwartete katalytische Aktivität von nanogeripptem Graphen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2300481120