Från att omvandla fordonsavgaser till mindre skadliga gaser till att raffinera petroleum, de flesta kommersiella kemiska tillämpningar kräver nanokatalysatorer eftersom de kan minska den erforderliga tiden och kostnaderna genom att kontrollera hastigheten för kemiska reaktioner. Den katalytiska aktiviteten och selektiviteten beror till stor del på deras fysiska egenskaper (storlek, form, och sammansättning) samt de elektroniska egenskaperna; dynamiken hos heta (högenergi)elektroner på ytan och gränsytan av katalysatorer. Även om katalysatorindustrin ständigt växer, det är utmanande att tillåta elektriska strömmar till nanokatalysatorer för att upptäcka heta elektroner och mäta den katalytiska effektiviteten.

I en ny studie, Institutet för basvetenskap (IBS) team som arbetar under centrets gruppledare, Professor PARK Jeong Young, skapade en katalytisk nanodiod bestående av ett enda lager av grafen och titanfilm (TiO2) som möjliggjorde detektering av heta elektroner på platinananopartiklar (Pt NPs). Denna banbrytande forskning utvecklade en katalytisk nanodiod som gjorde det möjligt för teamet att i realtid observera flödet av heta elektroner som genereras av kemiska reaktioner. Eftersom heta elektroner skapas när överskottsenergi från ytan av en kemisk reaktion tillåts försvinna i femtosekunder, de anses vara en indikator för den katalytiska aktiviteten. Dock, den snabba termaliseringen av heta elektroner gör den direkta detekteringen av heta elektroner ganska svår för att klargöra den elektroniska effekten på katalytisk aktivitet på metallnanopartiklar. I den här studien, forskare extraherade "heta bärare" från en metallkatalysator med hjälp av en grafen-halvledarkoppling.

Ett nytt tillvägagångssätt

Forskargruppens experiment skilde sig från tidigare försök där guld användes som visade sig vara ineffektivt, instabil och dyr. Teamet från Center for Nanomaterials and Chemical Reactions experimenterade på ett enda lager grafen, odlas på en kopparfilm innan de transporterades till TiO2 där Pt NP senare deponerades. grafen, 2D -undermaterialet, användes på grund av dess unika elektroniska och kemiska egenskaper. När den är integrerad med metall-NP, enorma förbättringar av konduktivitetsprestandan mellan stödmaterialet och platina -NP observerades av teamet. Den katalytiska aktiviteten och mängden heta elektroner mättes; resultaten visade att den katalytiska aktiviteten och genereringen av heta elektroner är väl matchade och reaktionsmekanismen kan studeras med heta elektroner dynamisk. "Grafenbaserade nanostrukturer, som vår är lovande detektorer för studier av het elektrondynamik på metall-NP under loppet av katalytiska reaktioner", bekräftade lagets papper.

Teamets arbete, enligt deras tidning, betonar det minskade kontaktmotståndet vid Pt NP:erna/ grafengränssnittet som är huvudkarakteristiken som leder till effektiv het-elektrondetektering på nanokatalysatorerna i den grafenbaserade katalytiska nanodioden. Genom att använda ett enda lager grafen för elektrisk anslutning av Pt NPs gjorde det enklare observation av heta elektroner på grund av både den atomärt tunna naturen hos grafen och den minskade höjden på den potentiella barriären som finns vid Pt NPs/grafengränssnittet. Forskningen som utförs vid IBS kan, potentiellt, hjälpa till att designa katalytiska och energimaterial med förbättrade prestanda och lägre kostnader. Förste författare och Ph.D. student Hyosun LEE sa:"Även om det fortfarande finns potential att förbättra kvaliteten på själva grafenskiktet och dess kontakt med TiO2, metoden som presenteras här erbjuder ett nytt sätt att studera grafens roller under heterogen katalys. "