予期せぬ効果: ナノリップル化グラフェンが強力な触媒になる

Feb 18, 2024

マンチェスター大学 2023年3月16日

科学者たちは、グラフェンが化学的に不活性であると予想されていたにもかかわらず、グラフェンのナノリップルが強力な触媒となることを発見しました。 PNAS に掲載された彼らの研究は、グラフェン表面のナノスケールの凹凸が最良の金属ベースの触媒と同様に水素の分裂を促進することを実証し、この効果はすべての 2D 材料に存在する可能性があります。

A team of researchers led by Prof. Andre Geim from the National Graphene Institute (NGI) have discovered that nanoripples in grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">カーボンシートは、それが得られるバルクグラファイトと同様に化学的に不活性であるという一般的な予想に反して、グラフェンはそれを強力な触媒にすることができる。

Published this week in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), the research has shown that graphene with nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">その表面のナノスケールの凹凸は、最高の金属ベースの触媒と同様に、水素の分解を促進します。 この予期せぬ効果は、本質的に非平坦であるすべての 2 次元マテリアルに存在する可能性があります。

マンチェスターのチームは、中国と米国の研究者と協力して、グラフェンの非平坦性が強力な触媒となることを示す一連の実験を実施した。 まず、超高感度ガス流量測定とラマン分光法を使用して、グラフェンのナノスケールの波形が分子状水素 (H2) との化学反応性に関連していること、および原子状水素 (H) への解離の活性化エネルギーが比較的小さいことを実証しました。

解離した水素原子が上部にある波状のグラフェン。 クレジット: マンチェスター大学

研究チームは、この反応性がその材料を効率的な触媒にするのに十分であるかどうかを評価しました。 この目的のために、研究者らは水素と重水素 (D2) ガスの混合物を使用し、グラフェンが実際に強力な触媒として機能し、H2 と D2 を HD に変換することを発見しました。 これは、同じ条件下でのグラファイトや他の炭素ベースの材料の挙動とはまったく対照的でした。 ガス分析により、単層グラフェンによって生成されるHDの量は、ジルコニア、酸化マグネシウム、銅などの既知の水素触媒の場合とほぼ同じであるが、グラフェンが必要な量はごく少量でしかなく、後者の100倍未満であることが明らかになりました。触媒。

「私たちの論文は、自立型グラフェンが、化学的に極めて不活性なグラファイトや原子的に平坦なグラフェンとはまったく異なることを示しています。 また、グラフェン表面の空孔、エッジ、その他の欠陥などの「通常の疑わしいもの」よりも、ナノスケールの波形が触媒作用にとってより重要であることも証明しました」と論文の筆頭著者であるPengzhan Sun博士は述べた。

論文の筆頭著者であるガイム教授は、「熱揺らぎや避けられない局所的な機械的歪みにより、ナノリップルはすべての原子的に薄い結晶で自然に発生するため、他の 2D 材料も同様に強化された反応性を示す可能性がある」と付け加えた。 グラフェンに関しては、水素が関与する反応だけでなく、他の反応においても触媒的および化学的に活性であることが確実に期待できます。」