Unerwarteter Effekt: Nanogeripptes Graphen wird zu einem leistungsstarken Katalysator

Feb 18, 2024

Von der University of Manchester, 16. März 2023

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Nanowellen in Graphen es zu einem starken Katalysator machen, obwohl man erwartete, dass es chemisch inert ist. Ihre in PNAS veröffentlichte Forschung zeigte, dass nanoskalige Riffelungen auf der Oberfläche von Graphen die Wasserstoffspaltung ebenso beschleunigen wie die besten Katalysatoren auf Metallbasis. Dieser Effekt kann in allen 2D-Materialien vorhanden sein.

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"}]">Graphen kann es zu einem starken Katalysator machen, entgegen der allgemeinen Annahme, dass die Kohlenstoffschicht chemisch genauso inert ist wie der Massengraphit, aus dem sie gewonnen wird.

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"}]"> Nanoskalige Riffelungen seiner Oberfläche können die Wasserstoffspaltung ebenso beschleunigen wie die besten Katalysatoren auf Metallbasis. Dieser unerwartete Effekt tritt wahrscheinlich bei allen zweidimensionalen Materialien auf, 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 Nichtflachheit von Graphen es zu einem starken Katalysator macht. Mithilfe ultraempfindlicher Gasflussmessungen und Raman-Spektroskopie zeigten sie zunächst, dass die nanoskaligen Wellen von Graphen mit seiner chemischen Reaktivität mit molekularem Wasserstoff (H2) zusammenhängen und dass die Aktivierungsenergie für seine Dissoziation in atomaren Wasserstoff (H) relativ gering war.

Gewelltes Graphen mit dissoziierten Wasserstoffatomen oben. Bildnachweis: Universität Manchester

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 Deuteriumgasen (D2) und stellten fest, dass Graphen tatsächlich als starker Katalysator fungierte und H2 und D2 in HD umwandelte. Dies stand in krassem Gegensatz zum Verhalten von Graphit und anderen kohlenstoffbasierten Materialien unter den gleichen Bedingungen. Die Gasanalysen ergaben, dass die Menge an HD, die durch Monoschicht-Graphen erzeugt wird, ungefähr die gleiche war wie bei den bekannten Wasserstoffkatalysatoren wie Zirkonoxid, Magnesiumoxid und Kupfer, Graphen wurde jedoch nur in winzigen Mengen benötigt, weniger als das Hundertfache der letzteren Katalysatoren.

„Unsere Arbeit zeigt, dass sich freistehendes Graphen deutlich von Graphit und atomar flachem Graphen unterscheidet, die chemisch extrem inert sind. Wir haben auch bewiesen, dass nanoskalige Riffelungen für die Katalyse wichtiger sind als die „üblichen Verdächtigen“ wie Leerstellen, Kanten und andere Defekte auf der Oberfläche von Graphen“, sagte Dr. Pengzhan Sun, Erstautor der Arbeit.

Der Hauptautor der Arbeit, Prof. Geim, fügte hinzu: „Da Nanorippling aufgrund thermischer Schwankungen und unvermeidlicher lokaler mechanischer Spannungen natürlicherweise in allen atomar dünnen Kristallen auftritt, können auch andere 2D-Materialien eine ähnlich erhöhte Reaktivität aufweisen.“ Was Graphen betrifft, können wir durchaus davon ausgehen, dass es auch bei anderen Reaktionen katalytisch und chemisch aktiv ist, nicht nur bei denen, an denen Wasserstoff beteiligt ist.“

„2D-Materialien werden am häufigsten als atomar flache Schichten wahrgenommen, und Effekte, die durch unvermeidbare nanoskalige Riffelungen verursacht werden, wurden bisher übersehen.“ Unsere Arbeit zeigt, dass diese Effekte dramatisch sein können, was wichtige Auswirkungen auf die Verwendung von 2D-Materialien hat. Als 3D-Katalysatoren werden beispielsweise häufig Molybdänsulfid und andere Chalkogenide in großen Mengen eingesetzt. Jetzt sollten wir uns fragen, ob sie in ihrer 2D-Form noch aktiver sein könnten.“

Referenz: „Unerwartete katalytische Aktivität von nanorippled graphene“ von 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 und AK Geim, 13. März 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences