La figura muestra (a) la transferencia de carga entre el grafeno soportado y la molécula de O2 adsorbida cuando el sustrato está dopado con una impureza (en este ejemplo, un elemento de metal, codificado por color en amarillo). El color azul (marrón) denota la acumulación (agotamiento) de electrones. (b) Perfil energético del proceso de oxidación de monóxido de carbono catalizado por grafeno soportado sobre un sustrato dopado con metal (CO + O2⇒CO2 + O *). En presencia del catalizador de grafeno, la barrera de reacción es menor a 0,54 eV. Sin el catalizador de grafeno, es mucho mayor a más de 3 eV. Se muestran las estructuras atómicas calculadas en varios estados del proceso (IS:estado inicial, TS:estado de transición, FS:estado final). Crédito:npj 2-D Materials and Applications
Los científicos de NUS han desarrollado pautas de diseño que aumentan la eficacia catalítica de los catalizadores de estado sólido basados en grafeno para posibles aplicaciones industriales.
Los catalizadores se utilizan ampliamente en la industria química para hacer que los procesos de fabricación sean más eficientes y económicos. Esto se logra proporcionando una vía alternativa para la síntesis de sustancias químicas y compuestos. La catálisis de estado sólido basada en grafeno (GBSSC) es una dirección de investigación emergente, lo que abre nuevas oportunidades para las aplicaciones del grafeno en la producción de productos químicos. El grafeno tiene una relación superficie-volumen muy alta y, por lo tanto, se espera que sea un candidato prometedor para catalizadores. Sin embargo, como el grafeno en sí mismo es químicamente inerte, Se requiere una forma efectiva pero práctica para activar y desbloquear su potencial catalítico. En la literatura se han propuesto muchos métodos para activar el grafeno. Estos métodos incluyen la introducción de dopantes, creando tensiones mecánicas y añadiéndoles grupos funcionales. Como estos métodos requieren un tratamiento directo del grafeno (modificando su estructura o composición química), Son difíciles, si no imposible, darse cuenta de una manera controlable debido a la naturaleza altamente inactiva del grafeno. Esto limita el uso de GBSSC para la producción a gran escala en aplicaciones industriales.
Utilizando técnicas de simulación y modelado computacional, El profesor Zhang Chun y su equipo de investigación de los Departamentos de Física y Química, NUS ha desarrollado una forma de activar el grafeno mediante el uso de defectos en el sustrato subyacente. Estos defectos incluyen átomos de impurezas dopados o vacantes. Este método evita el tratamiento directo del grafeno, lo que lo convierte en una forma mucho más práctica de desbloquear su potencial catalítico para aplicaciones industriales. Usando cálculos ab initio intensivos y completos (usando principios básicos), El equipo de investigación demostró que ciertos tipos de defectos en el sustrato (átomos de impurezas metálicas sustitutivas o vacantes) pueden mejorar en gran medida la reactividad del grafeno soportado. Esto resultó en una fuerte adsorción química de moléculas de oxígeno en el grafeno y redujo drásticamente las barreras para las reacciones catalizadas de oxidación del monóxido de carbono (CO).
El profesor Zhang explicó:"El origen de la alta reactividad y actividad catalítica se debe a la transferencia de carga inducida por impurezas o vacantes desde la región de contacto del grafeno-sustrato al orbital 2π del oxígeno. Esta transferencia de carga debilita y facilita la ruptura del oxígeno. enlace de oxígeno (OO) del oxígeno (O 2 ) molécula que se adsorbe en la hoja de grafeno y permite la formación de dióxido de carbono (CO 2 ). Sin la transferencia de carga, el enlace O-O es demasiado fuerte para que la reacción de oxidación del CO tenga lugar a temperatura ambiente. Nuestros resultados allanan el camino para una nueva familia de catalizadores de estado sólido basados en grafeno de alto rendimiento con potencial para aplicaciones industriales ".
El equipo planea colaborar con experimentadores para fabricar los catalizadores propuestos y explorar la posibilidad de aplicaciones a gran escala.
