石墨烯中的纳米波纹可使其成为强催化剂
曼彻斯特大学
由国家石墨烯研究所(NGI)Andre Geim教授领导的一组研究人员发现,石墨烯中的纳米波纹可以使其成为一种强大的催化剂,这与一般预期相反,即碳片的化学惰性与获得它的大块石墨一样。
本周发表在《美国国家科学院院刊》上的研究表明,表面具有纳米级波纹的石墨烯可以加速氢分解,是最好的金属基催化剂。这种意想不到的效果很可能存在于所有二维材料中,这些材料本质上都是非平面的。
曼彻斯特团队与来自中国和美国的研究人员合作进行了一系列实验,以证明石墨烯的非平面性使其成为一种强大的催化剂。首先,使用超灵敏气流测量和拉曼光谱,他们证明石墨烯的纳米级波纹与其与分子氢(H2 ) 的化学反应有关,并且其离解成原子氢 (H) 的活化能相对较小。
该团队评估了这种反应性是否足以使该材料成为一种有效的催化剂。为此,研究人员使用了氢气和氘 (D 2 ) 气体的混合物,发现石墨烯确实起到了强大催化剂的作用,将 H 2和 D 2转化为 HD。这与石墨和其他碳基材料在相同条件下的行为形成鲜明对比。气体分析表明,单层石墨烯产生的 HD 量与已知的氢催化剂(如氧化锆、氧化镁和铜)大致相同,但石墨烯的需求量很小,不到后者催化剂的 100 倍.
"我们的论文表明,独立式石墨烯与石墨和原子平面石墨烯完全不同,后者在化学上极度惰性。我们还证明,纳米级波纹对于催化作用比‘通常怀疑的’如空位、边缘和其他缺陷更重要。石墨烯的表面,"该论文的第一作者孙鹏展博士说。
该论文的主要作者盖姆教授补充说:"由于热波动和不可避免的局部机械应变,所有原子级薄的晶体中都会自然发生纳米波纹,因此其他二维材料也可能表现出类似的增强反应性。至于石墨烯,我们当然可以期待它在其他反应中具有催化和化学活性,而不仅仅是涉及氢的反应。"
"二维材料通常被认为是原子平板,而由不可避免的纳米级波纹引起的影响迄今为止被忽视了。我们的工作表明这些影响可能是巨大的,这对二维材料的使用具有重要意义。例如,块状硫化钼和其他硫族化物通常用作 3D 催化剂。现在我们应该想知道它们是否可以在 2D 形式下更加活跃。"
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