Desde convertir los gases de escape de los vehículos en gases menos nocivos hasta refinar el petróleo, la mayoría de las aplicaciones químicas comerciales requieren nanocatalizadores, ya que pueden reducir el tiempo y los costos necesarios al controlar la velocidad de las reacciones químicas. La actividad catalítica y la selectividad dependen en gran medida de sus propiedades físicas (tamaño, forma, y composición) así como las características electrónicas; la dinámica de los electrones calientes (de alta energía) en la superficie y la interfaz de los catalizadores. Aunque la industria de los catalizadores está en constante crecimiento, Es un desafío permitir corrientes eléctricas a los nanocatalizadores para detectar electrones calientes y medir la eficiencia catalítica.

En un nuevo estudio, el equipo del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) que trabaja bajo el líder del grupo del Centro, Profesor PARK Jeong Young, creó un nanodiodo catalítico compuesto por una sola capa de grafeno y película de titanio (TiO2) que permitió la detección de electrones calientes en nanopartículas de platino (Pt NP). Esta innovadora investigación desarrolló un nanodiodo catalítico que permitió al equipo observar en tiempo real el flujo de electrones calientes generados por reacciones químicas. Dado que los electrones calientes se crean cuando se permite que el exceso de energía de la superficie de una reacción química se disipe en femtosegundos, se consideran como un indicador de la actividad catalítica. Sin embargo, la rápida termalización de los electrones calientes hace que la detección directa de electrones calientes sea bastante difícil para aclarar el efecto electrónico sobre la actividad catalítica de las nanopartículas metálicas. En este estudio, Los investigadores extrajeron "portadores calientes" de un catalizador metálico utilizando una unión de grafeno-semiconductor.

Un nuevo enfoque

Los experimentos del equipo científico difirieron de los intentos anteriores en los que se utilizó oro que resultó ser ineficiente, inestable y caro. El equipo del Centro de Nanomateriales y Reacciones Químicas experimentó con una sola capa de grafeno, crecido en una película de cobre antes de ser transportado a TiO2 donde se depositaron más tarde NP de Pt. Grafeno el material de maravilla 2D, se utilizó debido a sus propiedades químicas y electrónicas únicas. Cuando se integra con NP de metal, El equipo observó enormes mejoras en el rendimiento de la conductividad entre el material de soporte y los NP de platino. Se midieron la actividad catalítica y la cantidad de electrones calientes; Los resultados mostraron que la actividad catalítica y la generación de electrones calientes están bien emparejadas y el mecanismo de reacción se puede estudiar con la dinámica de electrones calientes. "Nanoestructuras basadas en grafeno, como el nuestro son detectores prometedores para el estudio de la dinámica de electrones calientes en NP de metales durante el curso de reacciones catalíticas ", confirmó el artículo del equipo.

El trabajo del equipo, según su papel, destaca que la menor resistencia de contacto en la interfaz Pt NPs / grafeno es la característica principal que conduce a una detección eficiente de electrones calientes en los nanocatalizadores en el nanodiodo catalítico basado en grafeno. Al utilizar una sola capa de grafeno para la conexión eléctrica de las NP de Pt, permitió una observación más fácil de los electrones calientes debido tanto a la naturaleza atómicamente delgada del grafeno como a la altura reducida de la barrera de potencial existente en la interfaz de las NP de Pt / grafeno. La investigación realizada en IBS puede, potencialmente, ayudar a diseñar materiales catalíticos y energéticos con mejores rendimientos y menores costos. Primer autor y Ph.D. El estudiante Hyosun LEE declaró:"Aunque todavía existe el potencial para mejorar la calidad de la capa de grafeno en sí y su contacto con el TiO2, el enfoque presentado aquí ofrece una nueva forma de estudiar las funciones del grafeno durante la catálisis heterogénea ".