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科學家利用缺陷將惰性材料轉化為有用的活性材料
文章來源:新材料在線     點擊數: 次     更新時間:2021-12-28 14:42

 據一個國際研究小組稱,證明了一種被認為總是具有化學惰性的材料--六方氮化硼(hBN)可以變成化學活性,這為一類具有廣泛用途的新催化劑提供了潛力。

 

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hBN是一種分層材料,單層材料可以像另一種二維材料石墨烯那樣被剝離。然而,這兩者之間有一個關鍵的區別。

賓夕法尼亞州立大學物理學博士后學者、發表在《今日材料》上的這項研究的第一合著者雷宇(音譯)說:“雖然hBN與石墨烯的結構相似,但硼和氮化物原子之間的強極性鍵使hBN與石墨烯不同,它在高溫下具有化學惰性和熱穩定性。”

如果hBN具有化學活性而不是惰性,這將使它有更多的用途,包括成為類似于石墨烯的有用的、具有成本效益的催化劑支持。這將有助于實際應用,如在汽油動力汽車中或將碳轉化為其他產品,以幫助減少溫室氣體。

“你的汽油車里的催化器里有貴金屬鉑,用來處理有害氣體轉化為較少的有害氣體,”密歇根州立大學化學工程和材料科學副教授Jose Mendoza-Cortes說。“然而,這很昂貴,因為你需要投入大量的鉑原子進行催化?,F在想象一下,你只需要放一個或兩個,仍然可以得到同樣的性能。”

鉑也被用作許多其他類型的實際化學反應的催化劑,而進行轉換的鉑原子通常在表面,而下面的鉑原子只是作為結構支持存在。

Mendoza-Cortes說:“在這項研究中,我們使用了有缺陷的hBN作為結構支撐,這比較便宜,同時暴露出大部分的鉑原子用于執行化學反應。”

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hBN中的缺陷是該材料化學活性的關鍵。研究人員通過一個叫做低溫研磨的過程在材料中制造了缺陷,即小孔,這涉及到過冷的材料,然后通過低溫研磨將其還原。這些孔是如此之小,以至于它們一次只能容納一個或兩個貴金屬原子。通過混合金屬鹽,小到一兩個原子的納米結構可以沉積到hBN基材上,這是由于充滿孔的hBN的反應性。

“由于氮化硼不會與任何東西發生反應,那么如果你將鉑、金或銀鹽還原成單原子并將其置于氮化硼表面的缺陷(孔)中,你就可以用這種 ‘孔狀’的hBN作為催化劑的支撐物,”賓夕法尼亞州立大學Verne M. Willaman物理學教授以及化學和材料科學教授Maurico Terrones說。“這是一種全新的東西,這就是我們在這里展示的東西。”

證明這一點意義重大,因為以前人們認為,一種如此惰性的材料永遠不可能變得有化學活性。“這個項目最困難的部分是說服研究界,像hBN這樣惰性的材料可以被激活而具有化學反應性,并作為催化劑的支持,”研究人員說。“在審查我們的研究過程中,審查員建議的額外實驗改進了工作,并幫助說服了社會。”

實驗涉及使用材料表征實驗室(MCL)的高端設備,該實驗室是賓夕法尼亞州立大學材料研究所的一部分。計算和理論計算是在密歇根州立大學的材料、工藝和量子模擬中心(MUSiC)實驗室和網絡化研究所完成的。

“所以,我們想知道我們在材料中存在什么類型的缺陷,以及我們如何證明我們有缺陷,而不是其他東西?” Terrones說。“因此,我們做了所有這些不同的非常詳細的表征,包括同步輻射,以證明我們所擁有的實際上是單原子鉑,而不是鉑簇。”

除了實驗,該團隊還使用建模來證明他們的概念。Mendoza-Cortes說:“我們通過計算和實驗證明,我們可以使孔變得如此之小,以至于它們當時只能容納1或2個原子的貴金屬。”

化學活性hBN的應用潛力是多樣的,包括更具成本效益的催化劑、能源儲存和傳感器。此外,他們的技術有可能被用于激活其他惰性材料或使用其他(貴)金屬。

Terrones說:“我認為我們的研究正在表明,本應是惰性的材料可以通過創造和控制材料上的缺陷而被激活。我們證明了必要的化學反應發生在原子水平上。如果它對氮化硼有效,它應該對任何其他材料有效。”

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