Effet inattendu : le graphène nanoripplé devient un puissant catalyseur

Feb 18, 2024

Par Université de Manchester16 mars 2023

Les scientifiques ont découvert que les nano-ondulations du graphène en font un puissant catalyseur, même s’il était censé être chimiquement inerte. Leurs recherches, publiées dans PNAS, ont démontré que les ondulations nanométriques à la surface du graphène accélèrent la division de l'hydrogène ainsi que les meilleurs catalyseurs à base métallique, et cet effet peut être présent dans tous les matériaux 2D.

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"}]">le graphène peut en faire un catalyseur puissant, contrairement aux attentes générales selon lesquelles la feuille de carbone est aussi chimiquement inerte que le graphite en vrac à partir duquel elle est obtenue.

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"}]"> les ondulations à l'échelle nanométrique de sa surface peuvent accélérer la division de l'hydrogène ainsi que les meilleurs catalyseurs à base métallique. Cet effet inattendu est susceptible d’être présent dans tous les matériaux bidimensionnels, qui sont tous intrinsèquement non plats.

L'équipe de Manchester, en collaboration avec des chercheurs chinois et américains, a mené une série d'expériences pour montrer que la non-planéité du graphène en fait un puissant catalyseur. Premièrement, en utilisant des mesures de débit de gaz ultrasensibles et la spectroscopie Raman, ils ont démontré que les ondulations nanométriques du graphène étaient liées à sa réactivité chimique avec l'hydrogène moléculaire (H2) et que l'énergie d'activation pour sa dissociation en hydrogène atomique (H) était relativement faible.

Graphène ondulé avec des atomes d'hydrogène dissociés sur le dessus. Crédit : Université de Manchester

L’équipe a évalué si cette réactivité était suffisante pour faire du matériau un catalyseur efficace. À cette fin, les chercheurs ont utilisé un mélange de gaz hydrogène et deutérium (D2) et ont découvert que le graphène se comportait effectivement comme un puissant catalyseur, convertissant H2 et D2 en HD. Cela contrastait fortement avec le comportement du graphite et d’autres matériaux à base de carbone dans les mêmes conditions. Les analyses de gaz ont révélé que la quantité de HD générée par le graphène monocouche était à peu près la même que celle des catalyseurs à hydrogène connus, tels que la zircone, l'oxyde de magnésium et le cuivre, mais que le graphène n'était requis qu'en quantités infimes, moins de 100 fois cette dernière. catalyseurs.

« Notre article montre que le graphène autonome est très différent du graphite et du graphène atomiquement plat qui sont chimiquement extrêmement inertes. Nous avons également prouvé que les ondulations à l'échelle nanométrique sont plus importantes pour la catalyse que les « suspects habituels » tels que les lacunes, les bords et autres défauts à la surface du graphène », a déclaré le Dr Pengzhan Sun, premier auteur de l'article.

L'auteur principal de l'article, le professeur Geim, a ajouté : « Comme la nano-ondulation se produit naturellement dans tous les cristaux atomiquement minces, en raison des fluctuations thermiques et des contraintes mécaniques locales inévitables, d'autres matériaux 2D peuvent également présenter une réactivité similairement améliorée. Quant au graphène, nous pouvons certainement nous attendre à ce qu’il soit catalytiquement et chimiquement actif dans d’autres réactions, pas seulement celles impliquant l’hydrogène.