Figuren visar (a) laddningsöverföring mellan den understödda grafenen och den adsorberade O2-molekylen när substratet är dopat med en förorening (i detta exempel, ett metallelement, färgkodad i gult). Blå (brun) färg anger ackumulering (utarmning) av elektroner. (b) Energiprofil för kolmonoxidoxidationsprocessen katalyserad av grafen uppburen på ett metalldopat substrat (CO + O2⇒CO2 + O*). I närvaro av grafenkatalysatorn, reaktionsbarriären är lägre vid 0,54 eV. Utan grafenkatalysatorn, den är mycket högre vid mer än 3 eV. De beräknade atomstrukturerna vid olika tillstånd av processen visas (IS:initialtillstånd, TS:övergångstillstånd, FS:sluttillstånd). Kredit:npj 2-D Material och applikationer
NUS-forskare har utvecklat designriktlinjer som ökar den katalytiska effektiviteten hos grafenbaserade solid state-katalysatorer för potentiella industritillämpningar.
Katalysatorer används i stor utsträckning inom den kemiska industrin för att göra tillverkningsprocesser mer effektiva och ekonomiska. Detta uppnås genom att tillhandahålla en alternativ väg för syntes av kemikalier och föreningar. Grafenbaserad fast tillståndskatalys (GBSSC) är en framväxande forskningsriktning, vilket öppnar nya möjligheter för grafentillämpningar vid tillverkning av kemikalier. Grafen har ett mycket högt förhållande mellan yta och volym och förväntas därför vara en lovande kandidat för katalysatorer. Dock, eftersom grafen i sig är kemiskt inert, ett effektivt men ändå praktiskt sätt krävs för att aktivera och låsa upp dess katalytiska potential. Många metoder för att aktivera grafen har föreslagits i litteraturen. Dessa metoder inkluderar introduktion av dopmedel, skapa mekaniska påfrestningar och lägga till funktionella grupper till det. Eftersom dessa metoder kräver direkt behandling av grafen (genom att modifiera dess struktur eller kemiska sammansättning), de är svåra, om inte omöjligt, att realisera på ett kontrollerbart sätt på grund av grafens mycket inaktiva natur. Detta begränsar användningen av GBSSC för storskalig produktion i industriella tillämpningar.
Använda beräkningsmodeller och simuleringstekniker, Prof Zhang Chun och hans forskargrupp från båda institutionerna för fysik och kemi, NUS har utvecklat ett sätt att aktivera grafen genom att använda defekter i det underliggande substratet. Dessa defekter inkluderar dopade föroreningsatomer eller vakanser. Denna metod undviker direkt behandling av grafen, vilket gör det till ett mycket mer praktiskt sätt att frigöra sin katalytiska potential för industriella tillämpningar. Använda intensiva och omfattande ab initio-beräkningar (med grundläggande principer), forskargruppen visade att vissa typer av defekter i substratet (substitutionella metallföroreningsatomer eller vakanser) avsevärt kan förbättra reaktiviteten hos stödd grafen. Detta resulterade i stark kemisk adsorption av syremolekyler på grafenen och sänkte drastiskt barriärerna för katalyserade kolmonoxid (CO) oxidationsreaktioner.
Prof Zhang förklarade, "Ursprunget till den höga reaktiviteten och den katalytiska aktiviteten har visat sig vara driven av den förorenings- eller vakansinducerade laddningsöverföringen från grafen-substratkontaktområdet till syre 2π-orbitalen. Denna laddningsöverföring försvagar och underlättar brytningen av syre- syre (OO) bindning av syret (O 2 ) molekyl som adsorberas på grafenarket och möjliggör bildning av koldioxid (CO) 2 ). Utan avgiftsöverföringen, O-O-bindningen är för stark för att CO-oxidationsreaktionen ska kunna ske under rumstemperatur. Våra resultat banar väg för en ny familj av högpresterande grafenbaserade solid state-katalysatorer med potential för industriella tillämpningar."
Teamet planerar att samarbeta med experimentalister för att tillverka de föreslagna katalysatorerna och utforska möjligheten till storskaliga tillämpningar.
