Grafeen "knippen en plakken" met metalen nanodeeltjes werd uitgevoerd onder microgolfstraling. De studie onthulde unieke processen die plaatsvinden op de koolstoflagen onder invloed van metalen nanodeeltjes die worden verwarmd door microgolfstraling. Het begrijpen van de processen die plaatsvinden in metaal/koolstofsystemen is cruciaal voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie zeer efficiënte katalysatoren voor de organische synthese en de chemische industrie. De auteurs beschreven de belangrijkste transformaties die verantwoordelijk zijn voor de evolutie van de katalysator in verband met de bereiding van nanogestructureerde metaal/koolstofsystemen.

De studie, uitgevoerd in het laboratorium van Prof. V.P.Ananikov aan het Zelinsky Instituut voor Organische Chemie van de Russische Academie van Wetenschappen, ontdekte een verscheidenheid aan processen die plaatsvinden op het oppervlak van koolstofmateriaal bij contact met hete metalen nanodeeltjes. metalen nanodeeltjes, verwarmd door microgolfstraling, veroorzaakte significante morfologische veranderingen van het koolstofoppervlak:vorming van patronen van putjes en kanalen, penetratie in het koolstofmateriaal en directe groei van koolstofnanobuizen.

Zoals het nu algemeen aanvaard wordt, ontdekking en systematische studie van koolstofnanobuizen was een van de prominente baanbrekende punten aan het begin van het nanotechnologietijdperk. Koolstofnanobuizen zijn buisvormige structuren op nanoschaal die bestaan ​​uit koolstofatomen die zijn gerangschikt in de onderling verbonden zesledige ringen binnen een cilindrische wand. Vanuit een bepaald gezichtspunt kan koolstofnanobuis worden weergegeven als een grafeenvel (vlakke plaat van monoatomaire dikte) die in een cilinder is gerold en aan de randen is vastgelijmd met koolstof. Directe toegang tot koolstofnanobuisjes uit grafeen (en vooral uitgaande van veel goedkopere voorloper – grafeenlagen in grafiet) zou een uitstekend proces van groot praktisch belang zijn. De vragen komen op:hoe gemakkelijk is het om grafietplaten te snijden en op te rollen? Is het in strijd met thermodynamische factoren?

De huidige studie, gepubliceerd in de ACS Katalyse logboek, ontdekte een reeks processen gemedieerd in metaal-koolstofsystemen onder microgolfstraling. Het "snijden" van koolstofschijfjes door hete metaaldeeltjes werd duidelijk waargenomen door veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FE-SEM). Het "plakken" van koolstofatomen op een nieuwe locatie heeft geleid tot een groei van koolstofnanobuisjes op het oppervlak van grafiet - het proces werd ook waargenomen in het experiment onder een inerte atmosfeer.

In de theoretische modellering hebben de auteurs de volgende mogelijkheid overwogen:in de eerste stadia kan een grafeenvel worden gesneden in nanolinten van één aromatische ring breed (Figuur 1). Vervolgens, elk nanolint wordt gerold tot cycloparafenylenen - deze moleculen zijn bekend en werden eerder beschreven. In de latere stadia, cycloparafenyleenringen worden samengevoegd om de nanobuis te vormen. Belangrijke stadia van dit proces werden gemodelleerd door kwantumchemische berekeningen met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie.

Zoals blijkt uit theoretische modellering, de energie van een dergelijk proces hangt sterk af van de begintoestand van de randen van de grafeenplaat. Als de randen zijn afgedekt met waterstof (reactie 1, Figuur 2), het algehele proces van de vorming van nanobuisjes gaat gepaard met het vrijkomen van 20 waterstofmoleculen en het is energetisch ongunstig (toename in energie is ~2,5 kcal/mol per koolstofatoom). Reactie (2) omvat gedeeltelijk gehydrogeneerde grafeenranden en is energetisch gunstiger (energieafname is ~1,5 kcal/mol per koolstofatoom). Het meest gunstige proces vanuit thermodynamisch oogpunt is de vorming van een nanobuisje uit een volledig gedehydrogeneerde grafeenplaat (reactie 3). Dit proces ging gepaard met een energieafname van ~4,6 kcal/mol per koolstofatoom.

belangrijke bevindingen, beschreven in het artikel, omgaan met transformatie van koolstofdrager in metaal/koolstofkatalysatoren. Lange tijd werd aangenomen dat koolstofdrager een inert (onschuldig) materiaal is dat alleen wordt gebruikt voor het ondersteunen (verankeren) van metalen nanodeeltjes. Het huidige onderzoek heeft duidelijk aangetoond dat dit niet altijd het geval is. Metaaldeeltjes interageren met koolstofondersteuning en de interactie leidt tot verbazingwekkende wijziging van de morfologie van metaal/koolstofsystemen. Het begrijpen van de aard van deze interactie speelt een sleutelrol bij het ontwikkelen van efficiënte en stabiele katalytische systemen. Evolutie van de katalysator tijdens chemische transformatie kan verantwoordelijk zijn voor deactivering van de katalysator en verlies van katalytische activiteit.