Aantonen dat een materiaal waarvan men denkt dat het altijd chemisch inert is, hexagonaal boornitride (hBN), chemisch actief kan worden, biedt volgens een internationaal team van onderzoekers mogelijkheden voor een nieuwe klasse katalysatoren met een breed scala aan toepassingen.

hBN is een gelaagd materiaal en monolagen kunnen worden geëxfolieerd zoals in grafeen, een ander tweedimensionaal materiaal. Er is echter een belangrijk verschil tussen de twee.

"Hoewel hBN een vergelijkbare structuur heeft als grafeen, maken de sterke polaire bindingen tussen de boor- en nitrideatomen hBN anders dan grafeen omdat het chemisch inert en thermisch stabiel is bij hoge temperatuur", zegt Yu Lei, postdoctoraal natuurkundewetenschapper aan Penn State en eerste co-auteur van de studie gepubliceerd in Materials Today.

Als hBN chemisch actief en niet inert zou zijn, zou dat meer toepassingen mogelijk maken, waaronder een nuttige, kostenefficiënte katalysatordrager, vergelijkbaar met grafeen. Dit zou handig zijn voor praktische toepassingen, zoals in een auto die op benzine rijdt, of om koolstof om te zetten om de uitstoot van broeikasgassen naar andere producten te verminderen.

"De katalysator in je benzineauto bevat het edelmetaal platina om de omzetting van schadelijke gassen in minder schadelijke gassen te verwerken", zegt Jose Mendoza-Cortes, assistent-professor chemische technologie en materiaalkunde aan de Michigan State University. "Dit is echter duur omdat je veel platina-atomen nodig hebt voor de katalyse. Stel je nu voor dat je er maar een of twee hoeft te plaatsen en toch dezelfde prestaties krijgt."

Platina wordt ook gebruikt als katalysator voor vele andere soorten praktische chemische reacties, en de platina-atomen die de conversie uitvoeren, bevinden zich meestal aan de oppervlakte, terwijl de onderstaande er alleen zijn als structurele ondersteuning.

"In deze studie hebben we defect hBN gebruikt als structurele ondersteuning, wat goedkoper is, terwijl het grootste deel van het platina-atoom wordt blootgesteld voor het uitvoeren van chemische reacties," zei Mendoza-Cortes.

De defecten in het hBN zijn de sleutel tot de chemische activiteit van het materiaal. De onderzoekers maakten defecten, kleine gaatjes, in de materialen via een proces dat cryomilling wordt genoemd, waarbij een materiaal wordt onderkoeld en vervolgens wordt verminderd door middel van cryogeen malen.

De gaten zijn zo klein dat ze slechts één of twee atomen van een edelmetaal tegelijk kunnen bevatten. Door een metaalzout te mengen, kunnen nanostructuren zo klein als een atoom of twee op het hBN-substraat worden afgezet, vanwege de reactiviteit van het met gaten gevulde hBN.

"Omdat boornitride nergens mee reageert, kun je deze "holey" hBN gebruiken als drager voor katalysatoren als je een platina-, goud- of zilverzout reduceert tot enkele atomen en deze in defecten (gaten) op het boornitride plaatst oppervlak", zegt Maurico Terrones, Verne M. Willaman hoogleraar natuurkunde en hoogleraar scheikunde en materiaalkunde aan Penn State. "Dit is iets geheel nieuws en dat hebben we hier laten zien."

Het was belangrijk om dit aan te tonen, omdat eerder werd aangenomen dat een materiaal dat zo inert is, nooit chemisch actief kan worden.

"Het moeilijkste deel van dit project was om de onderzoeksgemeenschap ervan te overtuigen dat materiaal dat zo inert is als hBN kan worden geactiveerd om chemische reactiviteit te hebben en als katalysatorondersteuning te dienen," zei Lei. "Tijdens het beoordelen van onze studie hebben aanvullende experimenten die door de reviewers werden voorgesteld het werk verbeterd en de gemeenschap geholpen te overtuigen."

De experimenten omvatten het gebruik van hoogwaardige apparatuur in het Materials Characterization Lab (MCL), onderdeel van het Materials Research Institute in Penn State. De computationele en theoretische berekeningen zijn gedaan in het Materials, Processes and Quantum Simulation Center (MUSiC) Lab en het Institute for Cyber-Enabled Research aan de Michigan State University.

"Dus we wilden weten wat voor soort defecten we in het materiaal hadden, en hoe kunnen we aantonen dat we de defecten hebben en dat het niet iets anders is?" zei Terrones. "Dus we hebben al deze verschillende zeer gedetailleerde karakteriseringen gedaan, inclusief synchrotronstraling, om aan te tonen dat wat we hadden in feite platina met één atoom was en geen platinaclusters."

Naast experimenten gebruikte het team ook modellering om hun concept te bewijzen.

"We hebben computationeel en experimenteel aangetoond en bewezen dat we gaten kunnen maken die zo klein zijn dat ze op dat moment slechts 1- of 2-atomen van edele metalen kunnen bevatten," zei Mendoza-Cortes.

Het potentieel voor toepassingen voor chemisch actieve hBN is gevarieerd, waaronder meer kosteneffectieve katalysatoren, energieopslag en sensoren. Daarnaast bestaat de mogelijkheid dat hun techniek gebruikt kan worden voor het activeren van andere inerte materialen of het gebruik van andere (edel)metalen.

"Ik denk dat we laten zien dat materiaal dat inert zou moeten zijn, kan worden geactiveerd door defecten aan het materiaal te creëren en te beheersen", zei Terrones. "We hebben aangetoond dat de noodzakelijke chemie plaatsvindt op atomair niveau. Als het werkt voor boornitride, zou het voor elk ander materiaal moeten werken."