La figura mostra (a) il trasferimento di carica tra il grafene supportato e la molecola di O2 adsorbita quando il substrato viene drogato con un'impurezza (in questo esempio, un elemento metallico, codice colore giallo). Il colore blu (marrone) indica l'accumulo (esaurimento) di elettroni. (b) Profilo energetico del processo di ossidazione del monossido di carbonio catalizzato da grafene supportato su un substrato drogato con metallo (CO + O2⇒CO2 + O*). In presenza del catalizzatore di grafene, la barriera di reazione è inferiore a 0,54 eV. Senza il catalizzatore di grafene, è molto più alto a più di 3 eV. Vengono mostrate le strutture atomiche calcolate ai vari stati del processo (IS:stato iniziale, ST:stato di transizione, FS:stato finale). Credito:npj Materiali e applicazioni 2-D
Gli scienziati del NUS hanno sviluppato linee guida di progettazione che aumentano l'efficacia catalitica dei catalizzatori allo stato solido a base di grafene per potenziali applicazioni industriali.
I catalizzatori sono ampiamente utilizzati nell'industria chimica per rendere i processi di produzione più efficienti ed economici. Ciò si ottiene fornendo un percorso alternativo per la sintesi di sostanze chimiche e composti. La catalisi allo stato solido a base di grafene (GBSSC) è una direzione di ricerca emergente, che apre nuove opportunità per le applicazioni del grafene nella produzione di prodotti chimici. Il grafene ha un rapporto superficie-volume molto elevato e dovrebbe quindi essere un candidato promettente per i catalizzatori. Però, poiché il grafene stesso è chimicamente inerte, è necessario un modo efficace ma pratico per attivare e sbloccare il suo potenziale catalitico. In letteratura sono stati proposti molti metodi per attivare il grafene. Questi metodi includono l'introduzione di droganti, creando sollecitazioni meccaniche e aggiungendovi gruppi funzionali. Poiché questi metodi richiedono un trattamento diretto del grafene (modificando la sua struttura o composizione chimica), sono difficili, se non impossibile, realizzare in modo controllabile a causa della natura altamente inattiva del grafene. Ciò limita l'uso di GBSSC per la produzione su larga scala nelle applicazioni industriali.
Utilizzando tecniche di modellazione computazionale e simulazione, Il Prof Zhang Chun e il suo gruppo di ricerca di entrambi i Dipartimenti di Fisica e Chimica, NUS ha sviluppato un modo per attivare il grafene utilizzando difetti nel substrato sottostante. Questi difetti includono atomi di impurità drogati o posti vacanti. Questo metodo evita il trattamento diretto del grafene, rendendolo un modo molto più pratico per sbloccare il suo potenziale catalitico per le applicazioni industriali. Utilizzando calcoli ab initio intensivi e completi (usando i principi di base), il team di ricerca ha mostrato che alcuni tipi di difetti nel substrato (atomi di impurità metalliche sostitutive o posti vacanti) possono aumentare notevolmente la reattività del grafene supportato. Ciò ha comportato un forte assorbimento chimico delle molecole di ossigeno sul grafene e ha abbassato drasticamente le barriere per le reazioni di ossidazione del monossido di carbonio (CO) catalizzato.
Il professor Zhang ha spiegato, "L'origine dell'elevata reattività e dell'attività catalitica è determinata dal trasferimento di carica indotto dall'impurità o dalla vacanza dalla regione di contatto del substrato di grafene all'orbitale dell'ossigeno 2π. Questo trasferimento di carica indebolisce e facilita la rottura dell'ossigeno- ossigeno (OO) legame dell'ossigeno (O 2 ) molecola che viene adsorbita sul foglio di grafene e consente la formazione di anidride carbonica (CO 2 ). Senza il trasferimento di carica, il legame O-O è troppo forte perché la reazione di ossidazione della CO avvenga a temperatura ambiente. I nostri risultati aprono la strada a una nuova famiglia di catalizzatori a stato solido a base di grafene ad alte prestazioni con il potenziale per applicazioni industriali".
Il team prevede di collaborare con sperimentatori per fabbricare i catalizzatori proposti ed esplorare la possibilità di applicazioni su larga scala.
