Il "taglia e incolla" di grafene con nanoparticelle metalliche è stato effettuato sotto irraggiamento a microonde. Lo studio ha rivelato processi unici che si verificano sugli strati di carbonio sotto l'influenza di nanoparticelle metalliche riscaldate dall'irradiazione a microonde. Comprendere i processi che avvengono nei sistemi metallo/carbonio è fondamentale per lo sviluppo di una nuova generazione di catalizzatori altamente efficienti per la sintesi organica e l'industria chimica. Gli autori hanno descritto le principali trasformazioni responsabili dell'evoluzione dei catalizzatori in relazione alla preparazione di sistemi nanostrutturati metallo/carbonio.

Lo studio, effettuato nel laboratorio del Prof. V.P.Ananikov presso l'Istituto Zelinsky di Chimica Organica dell'Accademia Russa delle Scienze, scoperto una varietà di processi che si verificano sulla superficie del materiale di carbonio a contatto con nanoparticelle di metallo caldo. Nanoparticelle metalliche, riscaldato da radiazioni a microonde, causato significativi cambiamenti morfologici della superficie del carbonio:formazione di modelli di fosse e canali, penetrazione all'interno del materiale di carbonio e crescita diretta dei nanotubi di carbonio.

Come è ormai ampiamente accettato, la scoperta e lo studio sistematico dei nanotubi di carbonio è stato uno dei principali punti rivoluzionari all'inizio dell'era delle nanotecnologie. I nanotubi di carbonio sono strutture tubolari su scala nanometrica costituite da atomi di carbonio disposti negli anelli a sei membri interconnessi all'interno di una parete cilindrica. Da un certo punto di vista il nanotubo di carbonio può essere rappresentato come un foglio di grafene (foglio piatto di spessore monoatomico) arrotolato in un cilindro e incollato ai bordi con carbonio. L'accesso diretto ai nanotubi di carbonio a partire dal grafene (e soprattutto a partire da precursori molto più economici – strati di grafene in grafite) sarebbe un processo eccezionale di grande interesse pratico. Appaiono le domande:quanto è facile tagliare i fogli di grafite e arrotolarli? Viola i fattori termodinamici?

Il presente studio, pubblicato in Catalisi ACS rivista, scoprì una serie di processi mediati in sistemi metallo-carbonio sotto irraggiamento a microonde. Il "taglio" di fette di carbonio da parte di particelle metalliche calde è stato chiaramente osservato mediante microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FE-SEM). "Incollare" gli atomi di carbonio in una nuova posizione ha provocato una crescita di nanotubi di carbonio sulla superficie della grafite - il processo è stato osservato anche nell'esperimento in atmosfera inerte.

Nella modellazione teorica gli autori hanno considerato la seguente possibilità:nelle prime fasi il foglio di grafene può essere tagliato in nanonastri di un anello aromatico di larghezza (Figura 1). Quindi, ogni nanonastro è arrotolato in cicloparafenileni:queste molecole sono note e sono state descritte in precedenza. Nelle fasi successive, gli anelli di cicloparafenilene sono uniti insieme per formare il nanotubo. Le fasi importanti di questo processo sono state modellate da calcoli di chimica quantistica che coinvolgono la teoria del funzionale della densità.

Come mostrato dalla modellazione teorica, l'energia di tale processo dipende fortemente dallo stato iniziale dei bordi del foglio di grafene. Se i bordi sono ricoperti di idrogeno (reazione 1, Figura 2), il processo complessivo della reazione di formazione dei nanotubi è accompagnato dal rilascio di 20 molecole di idrogeno ed è energeticamente sfavorevole (l'aumento di energia è di ~2,5 kcal/mol per un atomo di carbonio). La reazione (2) coinvolge bordi di grafene parzialmente idrogenati ed è energeticamente più favorevole (la diminuzione di energia è di ~1,5 kcal/mol per un atomo di carbonio). Il processo più favorevole dal punto di vista termodinamico è la formazione di un nanotubo da un foglio di grafene completamente deidrogenato (reazione 3). Questo processo è stato accompagnato da una diminuzione di energia di ~4.6 kcal/mol per un atomo di carbonio.

Rilevazioni importanti, descritto nell'articolo, affrontare la trasformazione del supporto carbonioso in catalizzatori metallo/carbonio. Per molto tempo si è ritenuto che il supporto in carbonio fosse un materiale inerte (innocente) utilizzato solo per il supporto (ancoraggio) di nanoparticelle metalliche. Il presente studio ha chiaramente dimostrato che non è sempre così. Le particelle metalliche interagiscono con il supporto di carbonio e l'interazione porta a una sorprendente modifica della morfologia dei sistemi metallo/carbonio. Comprendere la natura di questa interazione gioca un ruolo chiave nello sviluppo di sistemi catalitici efficienti e stabili. L'evoluzione del catalizzatore durante la trasformazione chimica può essere responsabile della disattivazione del catalizzatore e della perdita di attività catalitica.