예상치 못한 효과: 나노파문 그래핀이 강력한 촉매가 됨

Feb 18, 2024

맨체스터 대학교 작성2023년 3월 16일

과학자들은 그래핀의 나노리플이 화학적으로 불활성일 것으로 예상되었음에도 불구하고 그래핀을 강력한 촉매로 만든다는 사실을 발견했습니다. PNAS에 발표된 그들의 연구는 그래핀 표면의 나노 규모 주름이 최고의 금속 기반 촉매뿐만 아니라 수소 분해를 가속화하며 이 효과가 모든 2D 재료에 나타날 수 있음을 보여주었습니다.

A team of researchers led by Prof. Andre Geim from the National Graphene Institute (NGI) have discovered that nanoripples in grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">그래핀은 탄소 시트가 얻어지는 벌크 흑연만큼 화학적으로 불활성이라는 일반적인 기대와는 달리 이를 강력한 촉매로 만들 수 있습니다.

Published this week in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), the research has shown that graphene with nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 표면의 나노 규모 주름은 최고의 금속 기반 촉매뿐만 아니라 수소 분해를 가속화할 수 있습니다. 이러한 예상치 못한 효과는 본질적으로 평평하지 않은 모든 2차원 재료에 나타날 가능성이 높습니다.

맨체스터 팀은 중국과 미국의 연구원들과 협력하여 일련의 실험을 수행하여 그래핀의 비평탄성이 그래핀을 강력한 촉매로 만든다는 것을 보여주었습니다. 첫째, 초고감도 가스 흐름 측정과 라만 분광학을 사용하여 그래핀의 나노크기 주름이 분자 수소(H2)와의 화학적 반응성과 연관되어 있고 원자 수소(H)로 해리되기 위한 활성화 에너지가 상대적으로 작다는 것을 입증했습니다.

해리된 수소 원자가 위에 있는 잔물결 그래핀. 신용: 맨체스터 대학교

연구팀은 이러한 반응성이 물질을 효율적인 촉매로 만들기에 충분한지 평가했습니다. 이를 위해 연구진은 수소와 중수소(D2) 가스의 혼합물을 사용했으며 그래핀이 실제로 H2와 D2를 HD로 변환하는 강력한 촉매로 작용한다는 사실을 발견했습니다. 이는 동일한 조건에서 흑연 및 기타 탄소 기반 재료의 거동과 극명한 대조를 이루었습니다. 가스 분석 결과, 단층 그래핀에 의해 생성된 HD의 양은 지르코니아, 산화마그네슘, 구리 등 알려진 수소 촉매와 거의 동일했지만, 그래핀은 후자의 100배 미만인 아주 적은 양으로만 필요했습니다. 촉매.

“우리의 논문은 자립형 그래핀이 화학적으로 극도로 불활성인 흑연 및 원자적으로 평평한 그래핀과 상당히 다르다는 것을 보여줍니다. 우리는 또한 그래핀 표면의 빈 공간, 가장자리 및 기타 결함과 같은 '일반적인 문제'보다 나노 규모의 주름이 촉매 작용에 더 중요하다는 것을 입증했습니다.”라고 논문의 첫 번째 저자인 Pengzhan Sun 박사는 말했습니다.

논문의 주저자인 Geim 교수는 “나노리플링은 모든 원자적으로 얇은 결정에서 자연적으로 발생하기 때문에 열 변동과 피할 수 없는 국부적 기계적 변형으로 인해 다른 2D 재료도 비슷하게 향상된 반응성을 나타낼 수 있습니다. 그래핀의 경우, 수소와 관련된 반응뿐만 아니라 다른 반응에서도 촉매적으로나 화학적으로 활성이 있을 것으로 확실히 기대할 수 있습니다.”