Højtydende grafenbaserede katalysatorer

NUS-forskere har udviklet designretningslinjer, der øger den katalytiske effektivitet af grafenbaserede faststofkatalysatorer til potentielle industriapplikationer.

Katalysatorer bruges i vid udstrækning i den kemiske industri til at gøre fremstillingsprocesser mere effektive og økonomiske. Dette opnås ved at tilvejebringe en alternativ vej til syntese af kemikalier og forbindelser. Grafenbaseret faststofkatalyse (GBSSC) er en ny forskningsretning, hvilket åbner nye muligheder for grafenapplikationer i produktionen af ​​kemikalier. Graphen har et meget højt overflade-til-volumen-forhold og forventes derfor at være en lovende kandidat til katalysatorer. Imidlertid, da grafen i sig selv er kemisk inert, en effektiv, men praktisk måde er nødvendig for at aktivere og låse op for dets katalytiske potentiale. Mange metoder til aktivering af grafen er blevet foreslået i litteraturen. Disse metoder omfatter indførelse af dopemidler, skabe mekaniske belastninger og tilføje funktionelle grupper til det. Da disse metoder kræver direkte behandling af grafen (ved at ændre dets struktur eller kemiske sammensætning), de er svære, hvis ikke umuligt, at realisere på en kontrollerbar måde på grund af grafens meget inaktive natur. Dette begrænser brugen af ​​GBSSC til storstilet produktion i industrielle applikationer.

Ved hjælp af beregningsmodellering og simuleringsteknikker, Prof Zhang Chun og hans forskerhold fra begge afdelinger for fysik og kemi, NUS har udviklet en måde at aktivere grafen ved at bruge defekter i det underliggende substrat. Disse defekter omfatter dopede urenhedsatomer eller ledige stillinger. Denne metode undgår direkte behandling af grafen, hvilket gør det til en meget mere praktisk måde at frigøre sit katalytiske potentiale til industrielle applikationer. Brug af intensive og omfattende ab initio -beregninger (ved hjælp af grundlæggende principper), forskergruppen viste, at visse typer defekter i substratet (substitutionelle metalforureningsatomer eller ledige stillinger) i høj grad kan øge reaktiviteten af ​​understøttet grafen. Dette resulterede i stærk kemisk adsorption af iltmolekyler på grafen og sænkede drastisk barriererne for katalyserede carbonmonoxid (CO) oxidationsreaktioner.

Prof Zhang forklarede, "Oprindelsen til den høje reaktivitet og katalytiske aktivitet viser sig at være drevet af den urenheds- eller ledighedsinducerede ladningsoverførsel fra grafen-substratkontaktområdet til ilt 2π-kredsløbet. Denne ladningsoverførsel svækker og letter nedbrydningen af ​​oxygen- oxygen (OO) binding af ilt (O ₂ ) molekyle, der er adsorberet på grafenarket og muliggør dannelse af kuldioxid (CO ₂ ). Uden gebyroverførsel, O-O-bindingen er for stærk til, at CO-oxidationsreaktionen finder sted under stuetemperatur. Vores resultater baner vejen for en ny familie af højtydende grafenbaserede solid state-katalysatorer med potentiale til industrielle applikationer. "

Teamet planlægger at samarbejde med eksperimentelister for at fremstille de foreslåede katalysatorer og undersøge muligheden for store applikationer.