Los sistemas nanoporosos de zeolitas son una plantilla ideal para la síntesis de arquitectura de grafeno tridimensional (3D), pero las altas temperaturas requeridas para su síntesis hacen que las reacciones se produzcan de forma no selectiva. El equipo del Centro IBS de Nanomateriales y Materiales de Carbono redujo la temperatura requerida para la carbonización al incrustar iones de lantano (La3 +), un elemento de metal blanco plateado, en los poros de la zeolita.

Grafeno un alótropo del carbono, descubierto hace más de una década ha dado lugar a innumerables investigaciones que buscan desbloquear su vasto potencial. Zeolitas catalizadores sólidos microporosos de uso común en la industria petroquímica, Recientemente han atraído la atención en el campo de la ciencia de los materiales como modelo para la síntesis de carbono. Cada cristal individual se distingue por su estructura de poros de tamaño único de 1 nanómetro (nm), esta estructura facilita la acomodación de nanotubos de carbono dentro de la zeolita. En papel, Estos sistemas nanoporosos son una plantilla ideal para la síntesis de arquitectura de grafeno tridimensional (3D), pero los poros de la zeolita son demasiado pequeños para acomodar compuestos moleculares voluminosos como el alcohol poliaromático y furfurílico que se utilizan a menudo en la síntesis de carbono. Se pueden usar moléculas pequeñas como etileno y acetileno como fuente de carbono para lograr una carbonización exitosa dentro de los poros de la zeolita. pero tiene un gran costo. Las altas temperaturas requeridas para la síntesis hacen que las reacciones se produzcan de forma no selectiva en las superficies externas de la zeolita así como en las paredes internas de los poros. dando lugar a la deposición de coque y, en consecuencia, provocando graves limitaciones de difusión en los poros de la zeolita.

El equipo del Centro IBS de Nanomateriales y Materiales de Carbono resolvió este enigma con un enfoque novedoso. El primer autor, el Dr. KIM Kyoungsoo, explica:"La síntesis de carbono de plantilla de zeolita ha existido durante mucho tiempo, pero el problema con las temperaturas ha impedido que muchos científicos extraigan todo su potencial. Aquí, nuestro equipo buscó encontrar la respuesta incorporando iones de lantano (La3 +), un elemento de metal blanco plateado, en los poros de la zeolita. Esto reduce la temperatura requerida para la carbonización de etileno o acetileno. La estructura de carbono sp2 similar al grafeno se puede formar selectivamente dentro de la plantilla de zeolita, sin deposición de carbono en las superficies externas. Después de quitar la plantilla de zeolita, la estructura de carbono exhibe la conductividad eléctrica dos órdenes de magnitud más alta que el carbono mesoporoso amorfo, que es un resultado bastante asombroso. Esta estrategia de síntesis altamente eficiente basada en los iones de lantano hace que la formación de la estructura de carbono en los poros con menos de 1 nm de diámetro sea tan fácilmente reproducible como en las plantillas mesoporosas. y así proporciona un método general para sintetizar nanoestructuras de carbono con varias topologías correspondientes a las topologías de poros de zeolita, como FAU, EMT, beta, LTL, MFI y LTA. También, toda la síntesis se puede ampliar fácilmente, lo cual es importante para aplicaciones prácticas:baterías, almacenamiento de combustible y otros soportes de catalizador de tipo zeolita ".

El equipo de IBS comenzó su experimento utilizando iones La3 +. El Dr. KIM aclara por qué este elemento blanco plateado resultó tan beneficioso para el equipo, "Los iones La3 + no se pueden reducir en condiciones de proceso de carbonización, para que puedan permanecer dentro de los poros de la zeolita en lugar de moverse a la superficie exterior de la zeolita en forma de partículas metálicas reducidas. Dentro de los poros pueden estabilizar el etileno y la pirocondensación de forma intermedia para formar una estructura de carbono en la zeolita ".

Para probar esta hipótesis, el equipo comparó la cantidad de carbono depositado en la forma de zeolita Y (LaY) que contiene La3 + con una gran cantidad de otras muestras como NaY y HY. Los resultados experimentales indican que todos los LaY, Las muestras de zeolita NaY y HY muestran una rápida deposición de carbono a 800 ° C. Sin embargo, a medida que la temperatura desciende, parece haber una diferencia dramática entre las diferentes formas iónicas de zeolita. A 600 ° C, la zeolita LaY todavía está activa como plantilla de deposición de carbono. A diferencia de, tanto NaY como HY pierden sus funciones de deposición de carbono casi por completo.

Aplicación futura de la síntesis de zeolita

Los resultados, según su artículo publicado en Naturaleza , destacar un efecto catalítico del lantano para la carbonización. Al hacer grafeno con arquitecturas nanoporosas periódicas 3D, promete una amplia gama de aplicaciones útiles, como en baterías y catalizadores, pero debido a la falta de estrategias sintéticas eficientes, estas aplicaciones aún no han tenido éxito. Aprovechando el relleno de carbón selectivo de poros a temperaturas reducidas, la síntesis puede ampliarse fácilmente para estudios que requieran grandes cantidades de carbono; en particular alta conductividad eléctrica, que es un aspecto muy buscado para la producción de baterías.