Nyligen har kolbaserade katalysatorer – särskilt kvävedopade nanokolväten – dykt upp som hållbara, pålitliga alternativ till de metallkatalysatorer som traditionellt används för att stödja kemiska reaktioner.

Forskare från Key Laboratory of Advanced Carbon-Based Functional Materials (Fujian Province University) vid Fuzhou University syntetiserade nanokol från guaninmolekyler för att bättre förstå den exakta roll kväve spelar i kolbaserade material och utforska reaktionsmekanismerna för dessa katalytiska system.

I en nyligen publicerad studie klargjorde forskargruppen hur olika typer av kväve kan modulera oxidativ dehydreringsaktivitet – en kritisk process involverad i att omvandla inerta föreningar till reaktiva nanokol.

Studien publicerades i tidskriften Carbon Future den 4 februari.

"Studien erbjuder teoretisk vägledning för att skapa mycket effektiva kolkatalysatorer, som kan främja ren energi som omvandlas från förnybara resurser inom industrier som plast, medicin och gummi", säger studieförfattaren Zailai Xie från Fuzhou University.

Doping av kolmaterial med heteroatomer som kväve kan förändra kolets egenskaper. Denna praxis har fått stort intresse, vilket driver forskare att undersöka möjliga fördelar. Särskilt kvävedopning har visat sig vara en mycket effektiv strategi för att skapa avancerade material för koldioxidavskiljning, energiomvandling, energilagring och andra tillämpningar.

Trots de framsteg som tagits inom området kvävedopning finns det fortfarande några nyckelfrågor som förblir obesvarade. Till exempel påverkas nanokolmaterials prestanda avsevärt av funktionella grupper av atomer på ytan – men hittills uppvisar nanokolmaterial okontrollerbara funktionella ytgrupper, vilket komplicerar identifieringen av aktiva platser för olika typer av reaktioner.

"Detta beteende hindrar vår förståelse av den inneboende roll som kvävedopningsmedel spelar för att förbättra katalytisk aktivitet och bestämma den katalytiska mekanismen," sa Xie.

Enligt Xie behöver forskare mer kontrollerade och bättre karakteriserade katalysatorer för att ytterligare utveckla området för kvävedopad nanokolkatalys. Detta skulle göra det möjligt för forskare att isolera effekterna av specifika kvävearter på katalytisk prestanda.

I strävan efter detta mål utvecklade Fuzhou Universitys forskargrupp en metod för att exakt kontrollera ytfunktionella grupper, främst syre- och kvävegrupper, under generering av nanokolkatalysatorer.

Teamet fick en uppsättning nanokolväten genom självmonterande guaninmolekyler - en förening som finns i guano- eller fiskfjäll - och exponerade det resulterande materialet för värme utan syre. Med inspiration från den supramolekylära självsammansättningen av biologiska komponenter som guanin och relaterade nukleobaser som guanosin, erbjuder detta syntetiska tillvägagångssätt ett spännande sätt att generera ordnade nanomaterial.

Dessa molekyler har π-staplade, H-bundna och andra multiplexbindningsställen som underlättar bildandet av funktionella supramolekylära sammansättningar. Guanin, som är allmänt närvarande i de biogena fotoniska strukturerna hos olika levande organismer, uppvisar olika former och storlekar, inklusive hexagonala plattor, fyrkantiga plattor, oregelbundna polygoner och prismor.

De subtila variationerna i morfologin hos guaninkristaller bidrar till de färgstarka optiska fenomen som observeras hos djur, såsom fiskfjäll, spindelkroppar och djurögon. Den exakta kontrollen av morfologin hos biogena guaninkristaller i organismer är dock fortfarande dåligt förstådd.

Trots de anmärkningsvärda egenskaperna hos guaninkristaller har den artificiella produktionen av vanliga guaninkristaller som nära efterliknar biologiska förhållanden och deras efterföljande omvandling till funktionella kolmaterial ännu inte uppnåtts i den kemiska syntesmetoden.

"De syntetiserade kolen uppvisade unika och spännande egenskaper, inklusive relativt stabila ytsyregrupper och hög kvävehalt", sa Xie.

Dessutom möjliggjorde närvaron av flera vätebindningar i guanin bildandet av ett tvådimensionellt nanoark med kontrollerbara typer av kvävedopningsmedel. Kvävehalten kan finjusteras från cirka 5 % till 30 at %, medan syrehalten kan hållas på konstanta 4 %.

"Denna unika egenskap gör guanin till en idealisk proof-of-concept-prekursor för konstruktionsmodellkatalysatorer som kan leda till en djupgående förståelse av rollen av högkväve-dopämnen i nanokolkatalys," sa Xie.

För att ytterligare undersöka struktur-funktionsförhållandena testade teamet dehydrerings- och hydreringsreaktioner, där vätemolekyler tas av eller läggs till en större molekyl. Testerna visade att olika typer av kväve i nanokolvätena, nämligen grafitiskt kväve och pyridiniskt kväve, fungerar som elektrondonerande respektive elektronbortdragande modulatorer, vilket kan skräddarsy nanokolens oxidativa dehydreringsaktivitet.

"Som en effektiv, metallfri katalysator har vi reda ut rollerna för kvävedopningsmedel i både dehydrering och hydrogenering för första gången," sa Xie. "Vi tror att våra resultat ger värdefulla insikter om de fysikalisk-kemiska reaktionsmekanismerna för kvävedopade kolkatalytiska system och erbjuder teoretisk vägledning för syntesen av mycket effektiva kolkatalysatorer."

Mer information: Xuefei Zhang et al, Identifiering av roll för kvävedopanter i nanokolkatalys, Carbon Future (2024). DOI:10.26599/CF.2024.9200008

Tillhandahålls av Tsinghua University Press