Dalla conversione dei gas di scarico dei veicoli in gas meno nocivi alla raffinazione del petrolio, la maggior parte delle applicazioni chimiche commerciali richiedono nanocatalizzatori poiché possono ridurre i tempi ei costi necessari controllando la velocità delle reazioni chimiche. L'attività catalitica e la selettività dipendono in gran parte dalle loro proprietà fisiche (dimensioni, forma, e composizione) nonché le caratteristiche elettroniche; la dinamica degli elettroni caldi (ad alta energia) sulla superficie e sull'interfaccia dei catalizzatori. Sebbene l'industria dei catalizzatori sia in costante crescita, è difficile consentire correnti elettriche ai nanocatalizzatori per rilevare gli elettroni caldi e misurare l'efficienza catalitica.

In un nuovo studio, il team dell'Institute for Basic Science (IBS) che lavora sotto il capogruppo del Centro, Professor PARK Jeong Young, ha creato un nanodiodo catalitico composto da un singolo strato di grafene e film di titanio (TiO2) che ha consentito il rilevamento di elettroni caldi su nanoparticelle di platino (Pt NP). Questa ricerca innovativa ha sviluppato un nanodiodo catalitico che ha permesso al team di osservare in tempo reale il flusso di elettroni caldi generati dalle reazioni chimiche. Poiché gli elettroni caldi vengono creati quando l'energia in eccesso dalla superficie di una reazione chimica può dissiparsi in femtosecondi, sono considerati un indicatore dell'attività catalitica. Però, la rapida termalizzazione degli elettroni caldi rende piuttosto difficile la rivelazione diretta di elettroni caldi per chiarire l'effetto elettronico sull'attività catalitica sulle nanoparticelle metalliche. In questo studio, i ricercatori hanno estratto "vettori caldi" da un catalizzatore metallico utilizzando una giunzione grafene-semiconduttore.

Un nuovo approccio

Gli esperimenti del team scientifico differivano dai precedenti tentativi in ​​cui è stato utilizzato l'oro che si è rivelato inefficiente, instabile e costoso. Il team del Center for Nanomaterials and Chemical Reactions ha sperimentato su un singolo strato di grafene, cresciuto su un film di rame prima di essere trasportato a TiO2 dove sono stati successivamente depositati Pt NP. Grafene, il materiale meraviglioso 2D, è stato utilizzato per le sue proprietà elettroniche e chimiche uniche. Quando integrato con NP metallici, Il team ha osservato enormi miglioramenti nelle prestazioni di conduttività tra il materiale di supporto e le NP di platino. Sono state misurate l'attività catalitica e la quantità di elettroni caldi; i risultati hanno mostrato che l'attività catalitica e la generazione di elettroni caldi sono ben abbinate e il meccanismo di reazione può essere studiato con la dinamica degli elettroni caldi. "Nanostrutture a base di grafene, come i nostri sono rivelatori promettenti per lo studio della dinamica degli elettroni caldi su NP metalliche nel corso di reazioni catalitiche" ha confermato l'articolo del team.

Il lavoro di squadra, secondo la loro carta, evidenzia che la ridotta resistenza di contatto all'interfaccia Pt NP/grafene è la caratteristica principale che porta a un'efficace rilevazione di elettroni caldi sui nanocatalizzatori nel nanodiodo catalitico a base di grafene. L'utilizzo di un singolo strato di grafene per il collegamento elettrico delle Pt NP ha consentito una più facile osservazione degli elettroni caldi a causa sia della natura atomicamente sottile del grafene che della ridotta altezza della barriera potenziale esistente all'interfaccia Pt NP/grafene. La ricerca condotta presso IBS può, potenzialmente, aiutano a progettare materiali catalitici ed energetici con prestazioni migliorate e costi inferiori. Primo autore e dottorato di ricerca. lo studente Hyosun LEE ha dichiarato:"Anche se esiste ancora il potenziale per migliorare la qualità dello strato di grafene stesso e il suo contatto con il TiO2, l'approccio presentato qui offre un nuovo modo per studiare i ruoli del grafene durante la catalisi eterogenea".