Forskerhold detekterer varme elektroner i realtid

Fra at omdanne bilers udstødningsgasser til mindre skadelige gasser til at raffinere olie, de fleste kommercielle kemiske applikationer kræver nanokatalysatorer, da de kan reducere den nødvendige tid og omkostninger ved at kontrollere hastigheden af ​​kemiske reaktioner. Den katalytiske aktivitet og selektivitet afhænger i høj grad af deres fysiske egenskaber (størrelse, form, og sammensætning) samt de elektroniske karakteristika; dynamikken af ​​varme (højenergi) elektroner på overfladen og grænsefladen af ​​katalysatorer. Selvom katalysatorindustrien konstant vokser, det er udfordrende at tillade elektriske strømme til nanokatalysatorer for at detektere varme elektroner og måle den katalytiske effektivitet.

I en ny undersøgelse, Institute for Basic Science (IBS) team, der arbejder under centrets gruppeleder, Professor PARK Jeong Young, skabt en katalytisk nanodiode sammensat af et enkelt lag af grafen og titanium film (TiO2), der muliggjorde detektering af varme elektroner på platin nanopartikler (Pt NP'er). Denne banebrydende forskning udviklede en katalytisk nanodiode, der gjorde det muligt for holdet at observere i realtid strømmen af ​​varme elektroner genereret af kemiske reaktioner. Da varme elektroner dannes, når overskydende energi fra overfladen af ​​en kemisk reaktion tillades at spredes på femtosekund, de anses for at være en indikator for den katalytiske aktivitet. Imidlertid, den hurtige termalisering af varme elektroner gør den direkte påvisning af varme elektroner ret vanskelig for at afklare den elektroniske effekt på katalytisk aktivitet på metalnanopartikler. I dette studie, forskere udtog 'varme bærere' fra en metalkatalysator ved hjælp af en grafen-halvlederforbindelse.

En ny tilgang

Forskerholdets eksperimenter adskilte sig fra tidligere forsøg, hvor guld blev brugt, hvilket viste sig at være ineffektivt, ustabil og dyr. Holdet fra Center for Nanomaterialer og Kemiske Reaktioner eksperimenterede på et enkelt lag grafen, dyrket på en kobberfilm, før de blev transporteret til TiO2, hvor Pt NP'er senere blev deponeret. grafen, 2D vidundermaterialet, blev brugt på grund af dets unikke elektroniske og kemiske egenskaber. Når integreret med metal NP'er, enorme forbedringer i ledningsevnen mellem støttematerialet og platin-NP'erne blev observeret af holdet. Den katalytiske aktivitet og mængden af ​​varme elektroner blev målt; resultaterne viste, at den katalytiske aktivitet og genereringen af ​​varme elektroner er godt matchede, og reaktionsmekanismen kan studeres med varme elektroner dynamisk. "Graphene-baserede nanostrukturer, som vores er lovende detektorer til undersøgelse af varmeelektrondynamik på metal-NP'er i løbet af katalytiske reaktioner" bekræftede holdets papir.

Teamets arbejde, ifølge deres papir, fremhæver, at den sænkede kontaktmodstand ved Pt NPs/grafengrænsefladen er hovedkarakteristikken, der fører til effektiv varmeelektrondetektion på nanokatalysatorerne i den grafenbaserede katalytiske nanodiode. Ved at bruge et enkelt lag grafen til elektrisk forbindelse af Pt NP'erne muliggjorde det lettere observation af varme elektroner på grund af både den atomare tynde natur af grafen og den reducerede højde af den potentielle barriere, der eksisterer ved Pt NP'erne / grafen-grænsefladen. Forskningen udført på IBS kan bl. potentielt, hjælpe med at designe katalytiske og energimaterialer med forbedret ydeevne og lavere omkostninger. Førsteforfatter og ph.d. studerende Hyosun LEE udtalte:"Selvom der stadig er potentiale for at forbedre kvaliteten af ​​selve grafenlaget og dets kontakt med TiO2, den tilgang, der præsenteres her, tilbyder en ny måde at studere grafens roller under heterogen katalyse."