Efeito inesperado: o grafeno nanorippled se torna um poderoso catalisador

Feb 18, 2024

Por Universidade de Manchester 16 de março de 2023

Os cientistas descobriram que as nano-ondulações no grafeno o tornam um forte catalisador, embora se esperasse que fosse quimicamente inerte. Sua pesquisa, publicada na PNAS, demonstrou que as ondulações em nanoescala na superfície do grafeno aceleram a divisão do hidrogênio, assim como os melhores catalisadores de base metálica, e esse efeito pode estar presente em todos os materiais 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"}]">o grafeno pode torná-lo um catalisador forte, contrariando as expectativas gerais de que a folha de carbono é tão quimicamente inerte quanto a grafite a partir da qual é obtida.

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"}]"> ondulações em nanoescala de sua superfície podem acelerar a divisão do hidrogênio, assim como os melhores catalisadores de base metálica. É provável que este efeito inesperado esteja presente em todos os materiais bidimensionais, que são inerentemente não planos.

A equipe de Manchester, em colaboração com pesquisadores da China e dos EUA, conduziu uma série de experimentos para mostrar que a não planicidade do grafeno o torna um forte catalisador. Primeiro, usando medições ultrassensíveis de fluxo de gás e espectroscopia Raman, eles demonstraram que as ondulações em nanoescala do grafeno estavam ligadas à sua reatividade química com o hidrogênio molecular (H2) e que a energia de ativação para sua dissociação em hidrogênio atômico (H) era relativamente pequena.

Grafeno ondulado com átomos de hidrogênio dissociados no topo. Crédito: Universidade de Manchester

A equipe avaliou se essa reatividade é suficiente para tornar o material um catalisador eficiente. Para tanto, os pesquisadores usaram uma mistura de gases hidrogênio e deutério (D2) e descobriram que o grafeno realmente se comportou como um poderoso catalisador, convertendo H2 e D2 em HD. Isto contrastava fortemente com o comportamento da grafite e de outros materiais à base de carbono nas mesmas condições. As análises de gás revelaram que a quantidade de HD gerada pelo grafeno monocamada era aproximadamente a mesma dos catalisadores de hidrogênio conhecidos, como zircônia, óxido de magnésio e cobre, mas o grafeno era necessário apenas em pequenas quantidades, menos de 100 vezes o último. catalisadores.

“Nosso artigo mostra que o grafeno independente é bastante diferente tanto do grafite quanto do grafeno atomicamente plano, que são quimicamente extremamente inertes. Também provamos que as ondulações em nanoescala são mais importantes para a catálise do que os 'suspeitos do costume', como lacunas, bordas e outros defeitos na superfície do grafeno”, disse o Dr. Pengzhan Sun, primeiro autor do artigo.

O autor principal do artigo, Prof. Geim, acrescentou: “Como a nanorippling ocorre naturalmente em todos os cristais atomicamente finos, devido às flutuações térmicas e à tensão mecânica local inevitável, outros materiais 2D também podem mostrar uma reatividade aumentada de forma semelhante. Quanto ao grafeno, podemos certamente esperar que seja catalítica e quimicamente ativo em outras reações, não apenas naquelas que envolvem hidrogênio.”