I sistemi nanoporosi delle zeoliti sono un modello ideale per la sintesi dell'architettura tridimensionale (3D) del grafene, ma le alte temperature richieste per la loro sintesi fanno sì che le reazioni avvengano in modo non selettivo. Il team dell'IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials ha abbassato la temperatura richiesta per la carbonizzazione incorporando ioni di lantanio (La3+), un elemento metallico bianco-argenteo, nei pori della zeolite.

Grafene, un allotropo di carbonio, scoperto più di dieci anni fa ha portato a una miriade di ricerche che cercano di sbloccare il suo vasto potenziale. Zeoliti, catalizzatori solidi microporosi comunemente usati nell'industria petrolchimica, hanno recentemente attirato l'attenzione nel campo della scienza dei materiali come modello per la sintesi del carbonio. Ogni singolo cristallo si distingue per la sua struttura porosa unica di 1 nanometro (nm), questa struttura facilita l'accomodamento dei nanotubi di carbonio all'interno della zeolite. Su carta, questi sistemi nanoporosi sono un modello ideale per la sintesi dell'architettura di grafene tridimensionale (3D), ma i pori della zeolite sono troppo piccoli per ospitare composti molecolari voluminosi come l'alcol poliaromatico e furfurilico che vengono spesso utilizzati nella sintesi del carbonio. Piccole molecole come etilene e acetilene possono essere utilizzate come fonte di carbonio per ottenere una carbonizzazione di successo all'interno dei pori della zeolite, ma ha un costo enorme. Le alte temperature richieste per la sintesi fanno sì che le reazioni avvengano in modo non selettivo sulle superfici esterne della zeolite e sulle pareti interne dei pori, con conseguente deposizione di coke e conseguentemente gravi limitazioni di diffusione nei pori della zeolite.

Il team dell'IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials ha risolto questo enigma con un nuovo approccio. Il primo autore, il dott. KIM Kyoungsoo, spiega:"La sintesi del carbonio modello zeolite esiste da molto tempo, ma il problema delle temperature ha impedito a molti scienziati di estrarre il loro pieno potenziale. Qui, il nostro team ha cercato di trovare la risposta incorporando ioni di lantanio (La3+), un elemento metallico bianco-argenteo, nei pori della zeolite. Ciò abbassa la temperatura richiesta per la carbonizzazione dell'etilene o dell'acetilene. La struttura del carbonio sp2 simile al grafene può essere formata selettivamente all'interno dello stampo di zeolite, senza deposito di carbonio sulle superfici esterne. Dopo aver rimosso il modello di zeolite, la struttura del carbonio mostra la conducibilità elettrica di due ordini di grandezza superiore al carbonio amorfo mesoporoso, che è un risultato piuttosto sorprendente. Questa strategia di sintesi altamente efficiente basata sugli ioni di lantanio rende la formazione della struttura del carbonio nei pori con diametro inferiore a 1 nm facilmente riproducibile come nei modelli mesoporosi, e fornisce quindi un metodo generale per sintetizzare nanostrutture di carbonio con varie topologie corrispondenti alle topologie dei pori della zeolite, come FAU, EMT, beta, LTL, MFI e LTA. Anche, tutta la sintesi può essere facilmente scalata, il che è importante per le applicazioni pratiche - batterie, stoccaggio del carburante e altri supporti per catalizzatori simili alla zeolite."

Il team IBS ha iniziato il suo esperimento utilizzando ioni La3+. Il Dr. KIM spiega perché questo elemento bianco-argenteo si è dimostrato così vantaggioso per il team, "Gli ioni La3+ sono irriducibili in condizioni di processo di carbonizzazione, in modo che possano rimanere all'interno dei pori della zeolite invece di spostarsi sulla superficie esterna della zeolite sotto forma di particelle metalliche ridotte. All'interno dei pori, possono stabilizzare l'etilene e la pirocondensazione in modo intermedio per formare una struttura di carbonio nella zeolite."

Per testare questa ipotesi, il team ha confrontato la quantità di carbonio depositato nella forma contenente La3+ del campione di zeolite Y (LaY) con una serie di altri campioni come NaY e HY. I risultati sperimentali indicano che tutti i LaY, I campioni di zeolite NaY e HY mostrano una rapida deposizione di carbonio a 800°C. Però, al diminuire della temperatura, sembra esserci una differenza drammatica tra le diverse forme ioniche di zeolite. A 600°C, la zeolite LaY è ancora attiva come stampo di deposizione del carbonio. In contrasto, sia NaY che HY perdono quasi completamente le loro funzioni di deposizione di carbonio.

Applicazione futura per la sintesi della zeolite

I risultati, secondo il loro articolo pubblicato in Natura , evidenziare un effetto catalitico del lantanio per la carbonizzazione. Realizzando grafene con architetture nanoporose periodiche 3D, promette una vasta gamma di applicazioni utili come nelle batterie e nei catalizzatori ma a causa della mancanza di strategie sintetiche efficienti, tali applicazioni non hanno ancora avuto successo. Sfruttando il riempimento di carbonio selettivo dei pori a temperature ridotte, la sintesi può essere prontamente ampliata per studi che richiedono grandi quantità di carbonio; in particolare elevata conducibilità elettrica, che è un aspetto molto ricercato per la produzione di batterie.