Zeoliternas nanoporösa system är en idealisk mall för syntes av tredimensionell (3D) grafenarkitektur, men de höga temperaturerna som krävs för deras syntes gör att reaktionerna sker icke-selektivt. Teamet från IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials sänkte temperaturen som krävs för karboniseringen genom att bädda in lantanjoner (La3+), ett silvervitt metallelement, i zeolitporer.

grafen, en allotrop av kol, upptäckte för mer än ett decennium sedan har lett till otaliga forskning som försöker frigöra dess enorma potential. Zeoliter, vanliga mikroporösa fasta katalysatorer inom den petrokemiska industrin, har nyligen uppmärksammats inom materialvetenskap som mall för kolsyntes. Varje enskild kristall kännetecknas av sin unika porstruktur på 1 nanometer (nm), denna struktur underlättar inkvarteringen av kolnanorör inuti zeoliten. På papper, dessa nanoporösa system är en idealisk mall för syntes av tredimensionell (3D) grafenarkitektur men zeolitporerna är för små för att rymma skrymmande molekylära föreningar som polyaromatiska och furfurylalkohol som ofta används i kolsyntes. Små molekyler som eten och acetylen kan användas som en kolkälla för att uppnå framgångsrik karbonisering i zeolitporerna, men det kommer till en stor kostnad. De höga temperaturerna som krävs för syntesen gör att reaktionerna sker icke-selektivt på de yttre ytorna av zeoliten såväl som på de inre porväggarna, resulterar i koksavsättning och orsakar följaktligen allvarliga diffusionsbegränsningar i zeolitporerna.

Teamet från IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials löste denna gåta med ett nytt tillvägagångssätt. Första författaren Dr. KIM Kyoungsoo förklarar:"Zeolit-mall-kolsyntes har funnits under lång tid men problemet med temperaturer har hindrat många forskare från att utvinna sin fulla potential. Här, vårt team försökte hitta svaret genom att bädda in lantanjoner (La3+), ett silvervitt metallelement, i zeolitporer. Detta sänker temperaturen som krävs för karbonisering av eten eller acetylen. Grafenliknande sp2-kolstruktur kan selektivt bildas inuti zeolitmallen, utan kolavlagring på de yttre ytorna. Efter att zeolitmallen har tagits bort, kolramverket uppvisar den elektriska ledningsförmågan två storleksordningar högre än amorft mesoporöst kol, vilket är ett ganska häpnadsväckande resultat. Denna mycket effektiva syntesstrategi baserad på lantanjonerna gör kolstrukturen i porer med mindre än 1 nm diameter lika lätt reproducerbar som i mesoporösa mallar, och tillhandahåller således en allmän metod för att syntetisera kolnanostrukturer med olika topologier som motsvarar zeolitportopologierna, såsom FAU, EMT, beta, LTL, MFI och LTA. Också, all syntes kan lätt skalas upp vilket är viktigt för praktiska tillämpningar - batterier, bränslelagring och andra zeolitliknande katalysatorbärare."

IBS-teamet började sitt experiment med att använda La3+-joner. Dr KIM förklarar varför detta silvervita element visade sig vara så fördelaktigt för teamet, "La3+-joner är oreducerbara under förkolningsprocessförhållanden, så att de kan stanna inne i zeolitporerna istället för att flytta till den yttre zeolitytan i form av reducerade metallpartiklar. Inuti porerna, de kan stabilisera eten och pyrokondensationen mellanliggande för att bilda en kolstruktur i zeolit."

För att testa denna hypotes jämförde teamet mängden kol som deponerats i La3+-innehållande form av Y-zeolit ​​(LaY) prov med en mängd andra prover som NaY och HY. De experimentella resultaten indikerar att alla LaY, NaY- och HY-zeolitprover visar snabb kolavsättning vid 800°C. Dock, när temperaturen sjunker, det verkar finnas en dramatisk skillnad mellan de olika jonformerna av zeolit. Vid 600°C, LaY-zeoliten är fortfarande aktiv som en kolavsättningsmall. I kontrast, både NaY och HY förlorar sina koldepositionsfunktioner nästan helt.

Framtida applikation för Zeolitsyntes

Resultaten, enligt deras tidning publicerad i Natur , belysa en katalytisk effekt av lantan för karbonisering. Genom att göra grafen med 3D periodiska nanoporösa arkitekturer, det lovar ett brett utbud av användbara applikationer som i batterier och katalysatorer men på grund av bristen på effektiva syntetiska strategier, sådana ansökningar har ännu inte lyckats. Genom att dra fördel av den porselektiva kolfyllningen vid sänkta temperaturer, syntesen kan lätt skalas upp för studier som kräver bulkmängder av kol; särskilt hög elektrisk ledningsförmåga, vilket är en mycket eftertraktad aspekt för tillverkning av batterier.