Figura 1. Las nanopartículas de metal calentadas a alta temperatura inician el proceso de "corte" de las capas de carbono (grabado de grafeno), ciclación de nanocintas, formación de cicloparafenilenos, y crecimiento de nanotubos. Crédito:Laboratorio Ananikov (AnanikovLab.ru)
El "corte y pegado" de grafeno con nanopartículas metálicas se llevó a cabo bajo irradiación de microondas. El estudio reveló procesos únicos que ocurren en las capas de carbono bajo la influencia de nanopartículas metálicas calentadas por irradiación de microondas. Comprender los procesos que tienen lugar en los sistemas Metal / Carbono es crucial para el desarrollo de una nueva generación de catalizadores altamente eficientes para la síntesis orgánica y la industria química. Los autores describieron las transformaciones clave responsables de la evolución del catalizador en relación con la preparación de sistemas nanoestructurados de metal / carbono.
El estudio, llevado a cabo en el laboratorio del profesor V.P.Ananikov en el Instituto Zelinsky de Química Orgánica de la Academia de Ciencias de Rusia, descubrió una variedad de procesos que ocurren en la superficie del material de carbono al entrar en contacto con nanopartículas de metal caliente. Nanopartículas de metal, calentado por radiación de microondas, causó cambios morfológicos significativos de la superficie del carbono:formación de patrones de pozos y canales, penetración dentro del material de carbono y crecimiento directo de nanotubos de carbono.
Como es ampliamente aceptado ahora, El descubrimiento y el estudio sistemático de los nanotubos de carbono fue uno de los principales puntos innovadores al comienzo de la era de la nanotecnología. Los nanotubos de carbono son estructuras tubulares a nanoescala que consisten en átomos de carbono dispuestos en los anillos de seis miembros interconectados dentro de una pared cilíndrica. Desde cierto punto de vista, el nanotubo de carbono puede representarse como una hoja de grafeno (hoja plana de espesor monoatómico) enrollada en un cilindro y pegada con carbono en los bordes. El acceso directo a los nanotubos de carbono a partir del grafeno (y especialmente a partir de un precursor mucho más barato:capas de grafeno en grafito) sería un proceso excepcional de gran interés práctico. Aparecen las preguntas:¿qué tan fácil es cortar láminas de grafito y enrollarlas? ¿Viola los factores termodinámicos?
El estudio presente, publicado en el Catálisis ACS diario, descubrió una serie de procesos mediados en sistemas metal-carbono bajo irradiación de microondas. El "corte" de rodajas de carbono por partículas de metal calientes se observó claramente mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM). El "pegado" de átomos de carbono en una nueva ubicación ha resultado en un crecimiento de nanotubos de carbono en la superficie del grafito; el proceso también se observó en el experimento bajo una atmósfera inerte.
En el modelado teórico, los autores consideraron la siguiente posibilidad:en las primeras etapas, la hoja de grafeno se puede cortar en nanocintas de un anillo aromático de ancho (Figura 1). Luego, cada nanocinta se enrolla en cicloparafenilenos; estas moléculas son conocidas y se describieron anteriormente. En las etapas posteriores, Los anillos de cicloparafenileno se unen para formar el nanotubo. Las etapas importantes de este proceso fueron modeladas por cálculos químicos cuánticos que involucran la teoría funcional de la densidad.
Figura 2. Formación plausible de (6, 6) -nanotubo de una hoja plana de grafeno. Reacciones (1), (2) y (3) corresponden a láminas de grafeno iniciales que contienen diferentes cantidades de átomos de hidrógeno en los bordes. Crédito:Laboratorio Ananikov (AnanikovLab.ru)
Como lo muestra el modelado teórico, la energía de tal proceso depende en gran medida del estado inicial de los bordes de la hoja de grafeno. Si los bordes están cubiertos con hidrógeno (reacción 1, Figura 2), el proceso general de la reacción de formación de nanotubos se acompaña de la liberación de 20 moléculas de hidrógeno y es energéticamente desfavorable (el aumento de energía es de ~ 2,5 kcal / mol por un átomo de carbono). La reacción (2) involucra bordes de grafeno parcialmente hidrogenados y es energéticamente más favorable (la disminución de energía es ~ 1.5 kcal / mol por un átomo de carbono). El proceso más favorable desde el punto de vista termodinámico es la formación de un nanotubo a partir de una hoja de grafeno completamente deshidrogenado (reacción 3). Este proceso estuvo acompañado de una disminución de energía de ~ 4,6 kcal / mol por átomo de carbono.
Hallazgos importantes, descrito en el artículo, se ocupan de la transformación del soporte de carbono en catalizadores de metal / carbono. Durante mucho tiempo se consideró que el soporte de carbono es un material inerte (inocente) que se utiliza únicamente para el soporte (anclaje) de nanopartículas metálicas. El presente estudio ha demostrado claramente que no siempre es así. Las partículas metálicas interactúan con el soporte de carbono y la interacción conduce a una modificación sorprendente de la morfología de los sistemas Metal / Carbono. Comprender la naturaleza de esta interacción juega un papel clave en el desarrollo de sistemas catalíticos eficientes y estables. La evolución del catalizador durante la transformación química puede ser responsable de la desactivación del catalizador y la pérdida de actividad catalítica.
