Kan defekter gøre inaktive materialer til nyttige, aktive?

At demonstrere, at et materiale, der menes at være altid kemisk inert, hexagonal bornitrid (hBN), kan gøres kemisk aktivt, rummer potentiale for en ny klasse af katalysatorer med en bred vifte af anvendelser, ifølge et internationalt hold af forskere.

hBN er et lagdelt materiale, og monolag kan eksfolieres som i grafen, et andet todimensionelt materiale. Der er dog en væsentlig forskel mellem de to.

"Mens hBN har lignende struktur som grafen, gør de stærke polære bindinger mellem bor- og nitridatomerne hBN i modsætning til grafen, idet det er kemisk inert og termisk stabilt ved høj temperatur," sagde Yu Lei, postdoc i fysik ved Penn State og først. medforfatter til undersøgelsen offentliggjort i Materials Today.

Hvis hBN var kemisk aktivt og ikke inert, ville det muliggøre flere anvendelser for det, herunder at være en nyttig, omkostningseffektiv katalysatorstøtte svarende til grafen. Dette ville være nyttigt til praktiske anvendelser som i en benzindrevet bil eller til at omdanne kulstof for at hjælpe med at reducere drivhusgasser til andre produkter.

"Katalysatoren i din benzinbil har det ædle metal platin til at behandle omdannelsen af ​​skadelige gasser til mindre skadelige gasser," sagde Jose Mendoza-Cortes, assisterende professor i kemiteknik og materialevidenskab ved Michigan State University. "Dette er dog dyrt, fordi du skal indsætte en masse platinatomer til katalysen. Forestil dig nu, at du kun behøver at sætte en eller to, og stadig få den samme ydeevne."

Platin bruges også som katalysator for mange andre typer af praktiske kemiske reaktioner, og de platinatomer, der udfører omdannelsen, er normalt på overfladen, mens nedenstående blot er der som strukturel støtte.

"I denne undersøgelse har vi brugt defekt hBN som strukturel støtte, hvilket er billigere, mens vi blotlægger det meste af platinatomet til at udføre kemiske reaktioner," sagde Mendoza-Cortes.

Defekterne i hBN er nøglen til materialets kemiske aktivitet. Forskerne lavede defekter, bittesmå huller, i materialerne via en proces kaldet kryomaling, som involverer underafkøling af et materiale og derefter reducere det via kryogen slibning.

Hullerne er så små, at de kun kan rumme et eller to atomer af et ædelmetal ad gangen. Ved at blande et metalsalt kan nanostrukturer så små som et atom eller to aflejres på hBN-substratet på grund af reaktiviteten af ​​det hulfyldte hBN.

"Da bornitrid ikke reagerer med noget, så kan du bruge dette "hullede" hBN som en støtte for katalysatorer, hvis du reducerer et platin-, guld- eller sølvsalt til enkelte atomer og placerer dem i defekter (huller) på bornitridet overflade," sagde Maurico Terrones, Verne M. Willaman professor i fysik og professor i kemi og materialevidenskab ved Penn State. "Dette er noget helt nyt, og det er det, vi demonstrerede her."

Det var vigtigt at demonstrere dette, da man tidligere troede, at et materiale, der er så inert, aldrig kunne blive kemisk aktivt.

"Den sværeste del af dette projekt var at overbevise forskersamfundet om, at materiale, der er så inert som hBN, kan aktiveres til at have kemisk reaktivitet og tjene som katalysatorstøtte," sagde Lei. "Under processen med at gennemgå vores undersøgelse forbedrede yderligere eksperimenter, som blev foreslået af anmelderne, arbejdet og hjalp med at overbevise samfundet."

Eksperimenterne involverede brugen af ​​avanceret udstyr i Materials Characterization Lab (MCL), en del af Materials Research Institute i Penn State. De beregningsmæssige og teoretiske beregninger blev udført på Materials, Processes and Quantum Simulation Center (MUSiC) Lab og Institute for Cyber-Enabled Research ved Michigan State University.

"Så vi ville vide, hvilken type fejl vi havde i materialet, og hvordan kan vi påvise, at vi har fejlene, og at det ikke er noget andet?" sagde Terrones. "Så vi lavede alle disse forskellige meget detaljerede karakteriseringer, inklusive synkrotronstråling, for at demonstrere, at det, vi havde, faktisk var enkeltatomet platin og ikke platinklynger."

Ud over eksperimenter brugte holdet også modellering til at bevise deres koncept.

"Vi viste og beviste beregningsmæssigt og eksperimentelt, at vi kan lave huller så små, at de kun kan rumme 1- eller 2-atomer af ædle metaller på det tidspunkt," sagde Mendoza-Cortes.

Potentialet for anvendelser af kemisk aktivt hBN er varieret, herunder mere omkostningseffektive katalysatorer, energilagring og sensorer. Derudover er der potentiale for, at deres teknik kan bruges til at aktivere andre inerte materialer eller bruge andre (ædle) metaller.

"Jeg tror, ​​vi viser, at materiale, der formodes at være inert, kan aktiveres ved at skabe og kontrollere defekter på materialet," sagde Terrones. "Vi demonstrerede, at den nødvendige kemi sker på atomniveau. Hvis det virker for bornitrid, burde det fungere for ethvert andet materiale."