Att demonstrera att ett material som tros alltid vara kemiskt inert, hexagonal bornitrid (hBN), kan göras kemiskt aktivt har potential för en ny klass av katalysatorer med ett brett spektrum av tillämpningar, enligt ett internationellt team av forskare.

hBN är ett skiktat material och monolager kan exfolieras som i grafen, ett annat tvådimensionellt material. Det finns dock en viktig skillnad mellan de två.

"Medan hBN har liknande struktur som grafen, gör de starka polära bindningarna mellan bor- och nitridatomerna hBN till skillnad från grafen genom att det är kemiskt inert och termiskt stabilt vid hög temperatur", säger Yu Lei, postdoktor i fysik vid Penn State och först. medförfattare till studien publicerad i Materials Today.

Om hBN var kemiskt aktivt och inte inert, skulle det möjliggöra fler användningsområden för det, inklusive att vara ett användbart, kostnadseffektivt katalysatorstöd som liknar grafen. Detta skulle vara användbart för praktiska tillämpningar som i en bensindriven bil eller för att omvandla kol för att hjälpa till att minska växthusgaser till andra produkter.

"Katalysatorn i din bensinbil har den ädla metallen platina i sig för att bearbeta omvandlingen av skadliga gaser till mindre skadliga gaser", säger Jose Mendoza-Cortes, biträdande professor i kemiteknik och materialvetenskap vid Michigan State University. "Det här är dock dyrt eftersom du behöver lägga in många platinaatomer för katalysen. Föreställ dig nu att du bara behöver lägga en eller två och ändå få samma prestanda."

Platina används också som katalysator för många andra typer av praktiska kemiska reaktioner, och platinaatomerna som utför omvandlingen finns vanligtvis på ytan, medan de nedanför bara finns där som strukturellt stöd.

"I den här studien har vi använt defekt hBN som strukturellt stöd, vilket är billigare, samtidigt som vi exponerar det mesta av platinaatomen för att utföra kemiska reaktioner," sa Mendoza-Cortes.

Defekterna i hBN är nyckeln till materialets kemiska aktivitet. Forskarna gjorde defekter, små hål, i materialen via en process som kallas kryomräning, vilket innebär att ett material underkylas och sedan reduceras genom kryogen malning.

Hålen är så små att de bara kan hålla en eller två atomer av en ädelmetall åt gången. Genom att blanda ett metallsalt kan nanostrukturer så små som en atom eller två på hBN-substratet avsättas, på grund av reaktiviteten hos det hålfyllda hBN.

"Eftersom bornitrid inte reagerar med någonting, då kan du använda detta "håliga" hBN som ett stöd för katalysatorer om du reducerar ett platina-, guld- eller silversalt till enstaka atomer och placerar dem i defekter (hål) på bornitriden yta", säger Maurico Terrones, Verne M. Willaman professor i fysik och professor i kemi och materialvetenskap vid Penn State. "Det här är något helt nytt, och det är vad vi demonstrerade här."

Att demonstrera detta var betydelsefullt, eftersom man tidigare trodde att ett material som är så inert aldrig skulle kunna bli kemiskt aktivt.

"Den svåraste delen av detta projekt var att övertyga forskarvärlden om att material som är lika inert som hBN kan aktiveras för att ha kemisk reaktivitet och fungera som katalysatorstöd," sa Lei. "Under processen att granska vår studie förbättrade ytterligare experiment som föreslogs av granskarna arbetet och hjälpte till att övertyga samhället."

Experimenten involverade användningen av avancerad utrustning i Materials Characterization Lab (MCL), en del av Materials Research Institute i Penn State. De beräkningsmässiga och teoretiska beräkningarna gjordes vid Materials, Processes and Quantum Simulation Center (MUSiC) Lab och Institutet för Cyber-Enabled Research vid Michigan State University.

"Så vi ville veta vilken typ av defekter vi hade i materialet, och hur kan vi visa att vi har defekterna och att det inte är något annat?" sa Terrones. "Så, vi gjorde alla dessa olika mycket detaljerade karakteriseringar, inklusive synkrotronstrålning, för att visa att det vi hade i själva verket var enatoms platina och inte platinakluster."

Utöver experiment använde teamet också modellering för att bevisa sitt koncept.

"Vi visade och bevisade beräkningsmässigt och experimentellt att vi kan göra hål så små att de bara kan hålla 1- eller 2-atomer av ädla metaller vid den tiden," sa Mendoza-Cortes.

Potentialen för applikationer för kemiskt aktivt hBN är varierad, inklusive mer kostnadseffektiva katalysatorer, energilagring och sensorer. Dessutom finns det potential att deras teknik kan användas för att aktivera andra inerta material eller använda andra (ädel) metaller.

"Jag tror att vi visar att material som är tänkt att vara inert kan aktiveras genom att skapa och kontrollera defekter på materialet," sa Terrones. "Vi visade att den nödvändiga kemin sker på atomnivå. Om det fungerar för bornitrid, borde det fungera för vilket annat material som helst."