Transformationer på kulstofoverflader under påvirkning af metalnanopartikler og mikrobølger

Grafen "cut and paste" med metalnanopartikler blev udført under mikrobølgebestråling. Undersøgelsen afslørede unikke processer, der forekommer på kulstoflagene under påvirkning af metalnanopartikler opvarmet af mikrobølgebestråling. Forståelse af de processer, der finder sted i Metal/Carbon-systemer er afgørende for udviklingen af ​​en ny generation af højeffektive katalysatorer til organisk syntese og kemisk industri. Forfatterne beskrev de vigtigste transformationer, der er ansvarlige for katalysatorudvikling i forbindelse med fremstilling af nanostrukturerede Metal/Carbon-systemer.

Studiet, udført i laboratoriet hos prof. V.P.Ananikov ved Zelinsky Institute of Organic Chemistry ved Russian Academy of Sciences, opdaget en række processer, der forekommer på overfladen af ​​kulstofmateriale ved kontakt med varme metal nanopartikler. Metal nanopartikler, opvarmet af mikrobølgestråling, forårsaget betydelige morfologiske ændringer af kulstofoverfladen:dannelse af mønstre af gruber og kanaler, penetration inde i kulstofmaterialet og direkte vækst af kulstofnanorør.

Som det er almindeligt accepteret nu, opdagelse og systematisk undersøgelse af kulstofnanorør var et af de fremtrædende banebrydende punkter i begyndelsen af ​​nanoteknologiens æra. Carbon nanorør er nanoskala rørformede strukturer, der består af carbonatomer arrangeret i de indbyrdes forbundne seks-leddede ringe inden for en cylindrisk væg. Fra et vist synspunkt kan kulstofnanorør repræsenteres som et grafenark (fladt ark af monoatomisk tykkelse) rullet ind i en cylinder og kullimet i kanterne. Direkte adgang til kulstofnanorør med udgangspunkt i grafen (og især med udgangspunkt i meget billigere forløber - grafenlag i grafit) ville være en enestående proces af stor praktisk interesse. Spørgsmålene dukker op:hvor nemt er det at skære grafitplader og rulle dem sammen? Overtræder det termodynamiske faktorer?

Den nuværende undersøgelse, offentliggjort i ACS katalyse tidsskrift, opdagede en række processer medieret i metal-carbon-systemer under mikrobølgebestråling. "Skæring" af kulstofskiver med varme metalpartikler blev tydeligt observeret ved felt-emission scanning elektronmikroskopi (FE-SEM). "Indsætning" af kulstofatomer på et nyt sted har resulteret i en vækst af kulstofnanorør på overfladen af ​​grafit - processen blev også observeret i eksperimentet under en inert atmosfære.

I den teoretiske modellering overvejede forfatterne følgende mulighed:i de første trin kan grafenplade skæres i nanobånd med en bred aromatisk ring (figur 1). Derefter, hvert nanobånd rulles til cycloparaphenylener - disse molekyler er kendte og blev beskrevet tidligere. På de senere stadier, cycloparaphenylen-ringe er forbundet til at danne nanorøret. Vigtige stadier af denne proces blev modelleret ved kvantekemiske beregninger, der involverede tæthedsfunktionel teori.

Som vist ved teoretisk modellering, energien af ​​en sådan proces afhænger stærkt af den oprindelige tilstand af kanterne af grafen ark. Hvis kanterne er dækket af brint (reaktion 1, figur 2), den overordnede proces med nanorørdannelsesreaktion er ledsaget af frigivelse af 20 brintmolekyler, og den er energetisk ugunstig (stigning i energi er ~2,5 kcal/mol pr. et kulstofatom). Reaktion (2) involverer delvist hydrogenerede grafenkanter, og den er energimæssigt mere gunstig (energifald er ~1,5 kcal/mol pr. et kulstofatom). Den mest gunstige proces fra termodynamisk synspunkt er dannelsen af ​​et nanorør fra et fuldt dehydreret grafenark (reaktion 3). Denne proces blev ledsaget af et energifald på ~4,6 kcal/mol pr. et kulstofatom.

Vigtige resultater, beskrevet i artiklen, beskæftige sig med transformation af kulstofstøtte i metal/kulstof katalysatorer. I lang tid blev det anset for, at kulstofstøtte er et inert (uskyldigt) materiale, der kun bruges til at understøtte (forankring) af metalnanopartikler. Nærværende undersøgelse har tydeligt vist, at det ikke altid er tilfældet. Metalpartikler interagerer med kulstofstøtte, og interaktionen fører til en fantastisk ændring af metal/kulstofsystemernes morfologi. At forstå arten af ​​denne interaktion spiller en nøglerolle i udviklingen af ​​effektive og stabile katalytiske systemer. Udvikling af katalysatoren under kemisk transformation kan være ansvarlig for deaktivering af katalysatoren og tab af katalytisk aktivitet.