Grafen "klipp och klistra" med metallnanopartiklar utfördes under mikrovågsbestrålning. Studien avslöjade unika processer som inträffar på kolskikten under påverkan av metallnanopartiklar som värms upp av mikrovågsstrålning. Att förstå processerna som äger rum i metall-/kolsystem är avgörande för utvecklingen av en ny generation av högeffektiva katalysatorer för organisk syntes och kemisk industri. Författarna beskrev de nyckeltransformationer som är ansvariga för katalysatorutveckling i samband med beredning av nanostrukturerade metall/kolsystem.

Studien, utförd i laboratoriet för professor V.P.Ananikov vid Zelinsky Institute of Organic Chemistry of Russian Academy of Sciences, upptäckt en mängd olika processer som inträffar på ytan av kolmaterial vid kontakt med heta metall nanopartiklar. Metall nanopartiklar, uppvärmd av mikrovågsstrålning, orsakade betydande morfologiska förändringar av kolytan:bildandet av mönster av gropar och kanaler, penetration inuti kolmaterialet och direkt tillväxt av kolnanorör.

Som det är allmänt accepterat nu, upptäckt och systematisk studie av kolnanorör var en av de framträdande banbrytande punkterna i början av nanoteknikeran. Kolnanorör är rörformiga strukturer i nanoskala som består av kolatomer arrangerade i de sammankopplade sexledade ringarna inom en cylindrisk vägg. Från en viss synvinkel kan kolnanorör representeras som ett grafenark (plant ark med monoatomisk tjocklek) rullat in i en cylinder och kollimt vid kanterna. Direkt tillgång till kolnanorör med utgångspunkt från grafen (och särskilt från mycket billigare prekursor – grafenlager i grafit) skulle vara en enastående process av stort praktiskt intresse. Frågorna dyker upp:hur lätt är det att klippa grafitark och rulla ihop dem? Bryter det mot termodynamiska faktorer?

Den nuvarande studien, publicerad i ACS -katalys tidning, upptäckte en serie processer medierade i metall-kolsystem under mikrovågsbestrålning. "Skärning" av kolskivor av heta metallpartiklar observerades tydligt med fältemissionsscanningselektronmikroskopi (FE-SEM). Att "klistra in" av kolatomer på en ny plats har resulterat i en tillväxt av kolnanorör på ytan av grafit – processen observerades också i experimentet under en inert atmosfär.

I den teoretiska modelleringen övervägde författarna följande möjlighet:i de första stegen kan grafenark skäras till nanoband med en bred aromatisk ring (Figur 1). Sedan, varje nanoribon rullas in i cykloparafenylener - dessa molekyler är kända och har beskrivits tidigare. På de senare stadierna, cykloparafenylenringar är sammanfogade för att bilda nanoröret. Viktiga stadier av denna process modellerades med kvantkemiska beräkningar som involverade densitetsteori.

Som framgår av teoretisk modellering, energin för en sådan process beror starkt på det ursprungliga tillståndet för kanterna på grafenarket. Om kanterna är täckta med väte (reaktion 1, Figur 2), den övergripande processen för bildning av nanorörsreaktion åtföljs av frisläppande av 20 vätemolekyler och det är energiskt ogynnsamt (energihöjningen är ~ 2,5 kcal/mol per kolatom). Reaktion (2) involverar delvis hydrerade grafenkanter och är energimässigt gynnsammare (energiförminskning är ~ 1,5 kcal/mol per kolatom). Den mest gynnsamma processen ur termodynamisk synvinkel är bildandet av ett nanorör från ett helt dehydrerat grafenark (reaktion 3). Denna process åtföljdes av en energiminskning på ~4,6 kcal/mol per en kolatom.

Viktiga fynd, beskrivs i artikeln, hantera omvandling av kolbärare i metall/kolkatalysatorer. Under lång tid ansågs det att kolstöd är ett inert (oskyldigt) material som endast används för att stödja (förankra) av metallnanopartiklar. Föreliggande studie har tydligt visat att det inte alltid är så. Metallpartiklar interagerar med kolstöd och interaktionen leder till en fantastisk modifiering av metall/kolsystems morfologi. Att förstå karaktären av denna interaktion spelar en nyckelroll för att utveckla effektiva och stabila katalytiska system. Utveckling av katalysatorn under kemisk omvandling kan vara ansvarig för deaktivering av katalysatorn och förlust av katalytisk aktivitet.