Según un equipo internacional de investigadores, demostrar que un material que se pensaba que siempre era químicamente inerte, el nitruro de boro hexagonal (hBN), puede volverse químicamente activo tiene potencial para una nueva clase de catalizadores con una amplia gama de aplicaciones.

hBN es un material en capas y las monocapas se pueden exfoliar como en el grafeno, otro material bidimensional. Sin embargo, hay una diferencia clave entre los dos.

"Aunque el hBN comparte una estructura similar al grafeno, los fuertes enlaces polares entre los átomos de boro y nitruro hacen que el hBN sea diferente al grafeno, ya que es químicamente inerte y térmicamente estable a altas temperaturas", dijo Yu Lei, becario postdoctoral en física en Penn State y primer coautor del estudio publicado en Materials Today.

Si hBN fuera químicamente activo y no inerte, eso permitiría más usos para él, incluido ser un soporte de catalizador útil y rentable similar al grafeno. Esto sería útil para aplicaciones prácticas como en un automóvil a gasolina o para convertir el carbono para ayudar a reducir los gases de efecto invernadero en otros productos.

"El convertidor catalítico en su automóvil de gasolina tiene el metal precioso platino para procesar la conversión de gases dañinos en gases menos dañinos", dijo José Mendoza-Cortés, profesor asistente de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad Estatal de Michigan. "Sin embargo, esto es costoso porque necesita colocar una gran cantidad de átomos de platino para la catálisis. Ahora imagine que solo necesita colocar uno o dos y aun así obtener el mismo rendimiento".

El platino también se usa como catalizador para muchos otros tipos de reacciones químicas prácticas, y los átomos de platino que realizan la conversión generalmente están en la superficie, mientras que los que están debajo están solo como soporte estructural.

"En este estudio, hemos utilizado hBN defectuoso como soporte estructural, que es más barato, al tiempo que expusimos la mayor parte del átomo de platino para realizar reacciones químicas", dijo Mendoza-Cortés.

Los defectos en el hBN son la clave de la actividad química del material. Los investigadores crearon defectos, pequeños agujeros, en los materiales a través de un proceso llamado criomolienda, que consiste en sobreenfriar un material y luego reducirlo mediante molienda criogénica.

Los agujeros son tan pequeños que solo pueden contener uno o dos átomos de un metal precioso a la vez. Al mezclar una sal metálica, se pueden depositar nanoestructuras tan pequeñas como uno o dos átomos en el sustrato de hBN, debido a la reactividad del hBN lleno de agujeros.

"Dado que el nitruro de boro no reacciona con nada, puede usar este hBN "agujereado" como soporte para catalizadores si reduce una sal de platino, oro o plata en átomos individuales y los coloca en defectos (agujeros) en el nitruro de boro superficie", dijo Maurico Terrones, profesor Verne M. Willaman de física y profesor de química y ciencia de los materiales en Penn State. "Esto es algo completamente nuevo, y eso es lo que demostramos aquí".

Demostrar esto fue significativo, ya que anteriormente se creía que un material que es tan inerte nunca podría volverse químicamente activo.

"La parte más difícil de este proyecto fue convencer a la comunidad de investigación de que un material tan inerte como el hBN puede activarse para tener reactividad química y servir como soporte del catalizador", dijo Lei. "Durante el proceso de revisión de nuestro estudio, los experimentos adicionales sugeridos por los revisores mejoraron el trabajo y ayudaron a convencer a la comunidad".

Los experimentos involucraron el uso de equipos de alta gama en el Laboratorio de Caracterización de Materiales (MCL), parte del Instituto de Investigación de Materiales en Penn State. Los cálculos computacionales y teóricos se realizaron en el Laboratorio del Centro de Simulación Cuántica, Procesos y Materiales (MUSiC) y el Instituto de Investigación Cibernética de la Universidad Estatal de Michigan.

"Entonces, queríamos saber qué tipo de defectos teníamos en el material y cómo podemos demostrar que tenemos los defectos y no es otra cosa". dijo Terrones. "Entonces, hicimos todas estas diversas caracterizaciones muy detalladas, incluida la radiación de sincrotrón, para demostrar que lo que teníamos era, de hecho, platino de un solo átomo, y no cúmulos de platino".

Más allá de los experimentos, el equipo también utilizó modelos para probar su concepto.

"Mostramos y probamos computacional y experimentalmente que podemos hacer agujeros tan pequeños que pueden contener solo 1 o 2 átomos de metales preciosos en ese momento", dijo Mendoza-Cortés.

El potencial de aplicaciones para hBN químicamente activo es variado, incluidos catalizadores, almacenamiento de energía y sensores más rentables. Además, existe la posibilidad de que su técnica se pueda usar para activar otros materiales inertes o usar otros metales (preciosos).

"Creo que estamos demostrando que el material que se supone que es inerte puede activarse creando y controlando defectos en el material", dijo Terrones. "Demostramos que la química necesaria ocurre a nivel atómico. Si funciona para el nitruro de boro, debería funcionar para cualquier otro material".