Использование дефектов для превращения инертных материалов в полезные, активные

По мнению международной группы исследователей, демонстрация того, что материал, который всегда считался химически инертным, гексагональный нитрид бора (hBN), может быть превращен в химически активный, имеет потенциал для нового класса катализаторов с широким спектром применения.

Дефекты в структуре решетки гексагонального нитрида бора могут быть обнаружены с помощью фотолюминесценции. Исследователи направляют на материал свет определенного цвета или энергии и получают другой цвет от дефекта. Кроме того, на рисунке показаны пузырьки водорода, образующиеся из этих дефектов, содержащих атомы катализатора (серые и темные сферы, прикрепленные к вакансиям).

hBN представляет собой слоистый материал, и монослои могут расслаиваться, как в графене, другом двумерном материале. Однако между ними есть ключевое различие.

Структура hBN

«Хотя hBN имеет аналогичную структуру, что и графен, сильные полярные связи между атомами бора и нитрида делают hBN в отличие от графена тем, что он химически инертен и термически стабилен при высоких температурах», — сказал Ю. Лей, научный сотрудник по физике из Пенсильванского университета, соавтор исследования, опубликованного в журнале «Материалы сегодня».

Если бы hBN был химически активным, а не инертным, это позволило бы ему использовать больше, в том числе в качестве полезного и экономичного носителя катализатора, подобного графену. Это было бы полезно для практических применений, например, в автомобиле с бензиновым двигателем, или для преобразования углерода с целью сокращения выбросов парниковых газов в другие продукты.

«Каталитический нейтрализатор в вашем бензиновом автомобиле содержит платину из драгоценного металла для преобразования вредных газов в менее вредные», — сказал Хосе Мендоса-Кортес, доцент кафедры химической инженерии и материаловедения в Университете штата Мичиган. «Однако это дорого, потому что для катализа нужно ввести много атомов платины. А теперь представьте, что вам нужно поставить всего один или два, и при этом добиться той же производительности».

Платина также используется в качестве катализатора для многих других типов практических химических реакций, и атомы платины, которые осуществляют преобразование, обычно находятся на поверхности, в то время как те, что ниже, находятся там как структурная опора.

«В этом исследовании мы использовали дефектный hBN в качестве структурной опоры, что дешевле, при этом подвергая большую часть атома платины воздействию химических реакций», — сказал Мендоза-Кортес.

Дефекты hBN являются ключом к химической активности материала. Исследователи сделали дефекты, крошечные отверстия в материалах с помощью процесса, называемого криомельницей, который включает в себя переохлаждение материала с последующим его уменьшением с помощью криогенного измельчения.

Отверстия настолько малы, что могут одновременно удерживать только один или два атома драгоценного металла. Путем смешивания соли металла можно нанести наноструктуры размером всего один или два атома на подложку hBN из-за реакционной способности hBN с дырочками.

«Поскольку нитрид бора ни с чем не реагирует, то вы можете использовать этот «дырявый» hBN в качестве носителя для катализаторов, если восстановите соль платины, золота или серебра на отдельные атомы и поместите их в дефекты (отверстия) на нитриде бора поверхность», — сказал Маурико Терронес, профессор физики им. Верна М. Уилламана и профессор химии и материаловедения в Университете штата Пенсильвания. «Это что-то совершенно новое, и это то, что мы здесь продемонстрировали».

Это было важно, поскольку ранее считалось, что такой инертный материал никогда не может стать химически активным.

«Самая трудная часть этого проекта заключалась в том, чтобы убедить исследовательское сообщество, что такой инертный материал, как hBN, может быть активирован, чтобы иметь химическую реакционную способность и служить в качестве носителя катализатора», — сказал Лей. «В процессе обзора нашего исследования дополнительные эксперименты, которые были предложены рецензентами, улучшили работу и помогли убедить сообщество».

Эксперименты

Эксперименты включали использование высококлассного оборудования в Лаборатории характеристик материалов (MCL), входящей в Институт исследования материалов в Пенсильвании. Вычислительные и теоретические расчеты были выполнены в лаборатории Центра материалов, процессов и квантового моделирования (MUSiC) и в Институте кибер-исследований при Университете штата Мичиган.

«Итак, мы хотели знать, какие дефекты у нас есть в материале, и как мы можем продемонстрировать, что у нас есть дефекты, а не что-то еще?» — сказал Терронес. «Итак, мы выполнили все эти различные очень подробные характеристики, включая синхротронное излучение, чтобы продемонстрировать, что на самом деле мы имеем одноатомную платину, а не кластеры платины».

Помимо экспериментов, команда также использовала моделирование, чтобы доказать свою концепцию:

• «Мы показали и доказали с помощью вычислений и экспериментов, что мы можем делать отверстия настолько маленькими, что в то время они могут содержать только 1 или 2 атома драгоценных металлов», — сказал Мендоса-Кортес.
• Возможности применения химически активного hBN разнообразны, включая более экономичные катализаторы, накопители энергии и датчики. Кроме того, существует вероятность того, что их метод может быть использован для активации других инертных материалов или использования других (драгоценных) металлов.
• «Я думаю, мы показываем, что материал, который должен быть инертным, можно активировать, создавая и контролируя дефекты в материале», — сказал Терронес. «Мы продемонстрировали, что необходимая химия происходит на атомном уровне. Если он работает с нитридом бора, он должен работать и с любым другим материалом».

Исследование было частично поддержано Национальным научным фондом. Эта работа была частично поддержана за счет вычислительных ресурсов и услуг, предоставленных Институтом кибер-исследований при Мичиганском государственном университете.

Источник

Метки: Катализаторы