NUS-wetenschappers hebben ontwerprichtlijnen ontwikkeld die de katalytische effectiviteit van op grafeen gebaseerde vastestofkatalysatoren voor potentiële industriële toepassingen vergroten.

Katalysatoren worden veel gebruikt in de chemische industrie om productieprocessen efficiënter en economischer te maken. Dit wordt bereikt door een alternatieve route te bieden voor de synthese van chemicaliën en verbindingen. Op grafeen gebaseerde vastestofkatalyse (GBSSC) is een opkomende onderzoeksrichting, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor grafeentoepassingen bij de productie van chemicaliën. Grafeen heeft een zeer hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding en wordt daarom naar verwachting een veelbelovende kandidaat voor katalysatoren. Echter, omdat grafeen zelf chemisch inert is, er is een effectieve maar praktische manier nodig om het katalytische potentieel te activeren en te ontsluiten. In de literatuur zijn veel methoden voorgesteld om grafeen te activeren. Deze methoden omvatten het introduceren van doteermiddelen, mechanische spanningen creëren en er functionele groepen aan toevoegen. Aangezien deze methoden een directe behandeling van grafeen vereisen (door de structuur of chemische samenstelling te wijzigen), zij zijn moeilijk, zo niet onmogelijk, om op een beheersbare manier te realiseren vanwege het zeer inactieve karakter van grafeen. Dit beperkt het gebruik van GBSSC voor grootschalige productie in industriële toepassingen.

Met behulp van computationele modellering en simulatietechnieken, Prof Zhang Chun en zijn onderzoeksteam van beide departementen Natuurkunde en Scheikunde, NUS heeft een manier ontwikkeld om grafeen te activeren door gebruik te maken van defecten in het onderliggende substraat. Deze defecten omvatten gedoteerde onzuiverheidsatomen of vacatures. Deze methode vermijdt directe behandeling van grafeen, waardoor het een veel praktischere manier is om zijn katalytische potentieel voor industriële toepassingen te ontsluiten. Met behulp van intensieve en uitgebreide ab initio berekeningen (met basisprincipes), het onderzoeksteam toonde aan dat bepaalde soorten defecten in het substraat (substitutionele metaalonzuiverheidsatomen of vacatures) de reactiviteit van ondersteund grafeen aanzienlijk kunnen verbeteren. Dit resulteerde in een sterke chemische adsorptie van zuurstofmoleculen op het grafeen en verlaagde de barrières voor gekatalyseerde koolmonoxide (CO) oxidatiereacties drastisch.

Prof Zhang legde uit, "De oorsprong van de hoge reactiviteit en katalytische activiteit blijkt te worden gedreven door de door onzuiverheid of leegte geïnduceerde ladingsoverdracht van het grafeen-substraat contactgebied naar de zuurstof 2π-orbitaal. Deze ladingsoverdracht verzwakt en vergemakkelijkt het breken van de zuurstof- zuurstof (OO) binding van de zuurstof (O ₂ ) molecuul dat wordt geadsorbeerd op de grafeenplaat en de vorming van kooldioxide (CO .) mogelijk maakt ₂ ). Zonder de overdracht van kosten, de O-O-binding is te sterk om de CO-oxidatiereactie bij kamertemperatuur te laten plaatsvinden. Onze resultaten maken de weg vrij voor een nieuwe familie van hoogwaardige, op grafeen gebaseerde vastestofkatalysatoren met potentieel voor industriële toepassingen."

Het team is van plan om samen te werken met experimentatoren om de voorgestelde katalysatoren te fabriceren en de mogelijkheid van grootschalige toepassingen te onderzoeken.