Secondo un team internazionale di ricercatori, la dimostrazione che un materiale ritenuto sempre chimicamente inerte, il nitruro di boro esagonale (hBN), può essere trasformato chimicamente attivo presenta il potenziale per una nuova classe di catalizzatori con un'ampia gamma di applicazioni.

hBN è un materiale stratificato e i monostrati possono essere esfoliati come nel grafene, un altro materiale bidimensionale. Tuttavia, c'è una differenza fondamentale tra i due.

"Sebbene l'hBN condivida una struttura simile al grafene, i forti legami polari tra gli atomi di boro e nitruro rendono l'hBN diverso dal grafene in quanto è chimicamente inerte e termicamente stabile alle alte temperature", ha affermato Yu Lei, ricercatore post-dottorato in fisica alla Penn State e primo coautore dello studio pubblicato su Materials Today.

Se l'hBN fosse chimicamente attivo e non inerte, ciò ne consentirebbe più usi, incluso l'essere un supporto catalizzatore utile ed economico simile al grafene. Ciò sarebbe utile per applicazioni pratiche come in un'automobile a benzina o per convertire il carbonio per aiutare a ridurre i gas serra in altri prodotti.

"Il convertitore catalitico della tua auto a benzina contiene il prezioso metallo platino per elaborare la conversione di gas nocivi in ​​gas meno nocivi", ha affermato Jose Mendoza-Cortes, assistente professore di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso la Michigan State University. "Tuttavia, questo è costoso perché devi inserire molti atomi di platino per la catalisi. Ora immagina di aver bisogno di metterne solo uno o due e ottenere comunque le stesse prestazioni."

Il platino è anche usato come catalizzatore per molti altri tipi di reazioni chimiche pratiche e gli atomi di platino che effettuano la conversione sono solitamente in superficie, mentre quelli sottostanti sono solo lì come supporto strutturale.

"In questo studio, abbiamo utilizzato l'hBN difettoso come supporto strutturale, che è più economico, mentre espone la maggior parte dell'atomo di platino per l'esecuzione di reazioni chimiche", ha affermato Mendoza-Cortes.

I difetti nell'hBN sono la chiave dell'attività chimica del materiale. I ricercatori hanno creato difetti, piccoli fori, nei materiali tramite un processo chiamato criomilliatura, che prevede il superraffreddamento di un materiale e quindi la sua riduzione tramite macinazione criogenica.

I fori sono così piccoli che possono contenere solo uno o due atomi di un metallo prezioso alla volta. Mescolando un sale metallico, è possibile depositare nanostrutture piccole come uno o due atomi sul substrato hBN, a causa della reattività dell'hBN pieno di buchi.

"Dato che il nitruro di boro non reagisce con nulla, allora puoi usare questo hBN "bucato" come supporto per catalizzatori se riduci un sale di platino, oro o argento in singoli atomi e li metti in difetti (fori) sul nitruro di boro superficie", ha affermato Maurico Terrones, Verne M. Willaman professore di fisica e professore di chimica e scienza dei materiali alla Penn State. "Questo è qualcosa di completamente nuovo, ed è quello che abbiamo dimostrato qui."

Dimostrare ciò è stato significativo, poiché in precedenza si riteneva che un materiale così inerte non potesse mai diventare chimicamente attivo.

"La parte più difficile di questo progetto è stata convincere la comunità di ricerca che materiale inerte come l'hBN può essere attivato per avere reattività chimica e fungere da supporto catalizzatore", ha affermato Lei. "Durante il processo di revisione del nostro studio, ulteriori esperimenti suggeriti dai revisori hanno migliorato il lavoro e hanno contribuito a convincere la comunità."

Gli esperimenti hanno comportato l'uso di apparecchiature di fascia alta nel Materials Characterization Lab (MCL), parte del Materials Research Institute della Penn State. I calcoli computazionali e teorici sono stati eseguiti presso il Materials, Processes and Quantum Simulation Center (MUSiC) Lab e l'Institute for Cyber-Enabled Research presso la Michigan State University.

"Quindi, volevamo sapere che tipo di difetti avevamo nel materiale e come possiamo dimostrare che abbiamo i difetti e non è qualcos'altro?" ha detto Terrones. "Quindi, abbiamo fatto tutte queste varie caratterizzazioni molto dettagliate, inclusa la radiazione di sincrotrone, per dimostrare che quello che avevamo era in realtà platino a singolo atomo e non ammassi di platino".

Oltre agli esperimenti, il team ha anche utilizzato la modellazione per dimostrare il proprio concetto.

"Abbiamo mostrato e dimostrato computazionalmente e sperimentalmente che possiamo creare buchi così piccoli da poter contenere solo 1 o 2 atomi di metalli preziosi in quel momento", ha detto Mendoza-Cortes.

Il potenziale per le applicazioni dell'hBN chimicamente attivo è vario, inclusi catalizzatori, accumulo di energia e sensori più convenienti. Inoltre, è possibile che la loro tecnica possa essere utilizzata per attivare altri materiali inerti o utilizzare altri metalli (preziosi).

"Penso che stiamo dimostrando che il materiale che dovrebbe essere inerte può essere attivato creando e controllando i difetti sul materiale", ha detto Terrones. "Abbiamo dimostrato che la chimica necessaria avviene a livello atomico. Se funziona per il nitruro di boro, dovrebbe funzionare per qualsiasi altro materiale".