Van het omzetten van uitlaatgassen van voertuigen in minder schadelijke gassen tot het raffineren van aardolie, de meeste commerciële chemische toepassingen vereisen nanokatalysatoren omdat ze de benodigde tijd en kosten kunnen verminderen door de snelheid van chemische reacties te beheersen. De katalytische activiteit en selectiviteit hangt grotendeels af van hun fysische eigenschappen (grootte, vorm, en compositie) evenals de elektronische kenmerken; de dynamiek van hete (hoge energie) elektronen op het oppervlak en het grensvlak van katalysatoren. Hoewel de katalysatorindustrie voortdurend groeit, het is een uitdaging om elektrische stromen toe te staan ​​aan nanokatalysatoren om hete elektronen te detecteren en de katalytische efficiëntie te meten.

In een nieuwe studie, het team van het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS) dat werkt onder de groepsleider van het Centrum, Professor PARK Jeong Young, creëerde een katalytische nanodiode bestaande uit een enkele laag grafeen en titaniumfilm (TiO2) die de detectie van hete elektronen op platina-nanodeeltjes (Pt NP's) mogelijk maakte. Dit baanbrekende onderzoek ontwikkelde een katalytische nanodiode waarmee het team in realtime de stroom van hete elektronen die door chemische reacties wordt gegenereerd, kon observeren. Aangezien hete elektronen worden gecreëerd wanneer overtollige energie van het oppervlak van een chemische reactie in femtoseconde kan verdwijnen, ze worden beschouwd als een indicator voor de katalysatoractiviteit. Echter, de snelle thermalisatie van hete elektronen maakt de directe detectie van hete elektronen vrij moeilijk om het elektronische effect op de katalytische activiteit op metalen nanodeeltjes te verduidelijken. In dit onderzoek, onderzoekers haalden 'hete dragers' uit een metaalkatalysator met behulp van een grafeen-halfgeleiderovergang.

Een nieuwe aanpak

De experimenten van het wetenschappelijke team verschilden van eerdere pogingen waarbij goud werd gebruikt, wat inefficiënt bleek te zijn. onstabiel en duur. Het team van het Centrum voor Nanomaterialen en Chemische Reacties experimenteerde met een enkele laag grafeen, gekweekt op een koperfilm voordat het werd getransporteerd naar TiO2 waar later Pt NP's werden afgezet. grafeen, het 2D wondermateriaal, werd gebruikt vanwege zijn unieke elektronische en chemische eigenschappen. Wanneer geïntegreerd met metalen NP's, enorme verbeteringen in de geleidbaarheidsprestaties tussen het ondersteunende materiaal en de platina NP's werden waargenomen door het team. De katalytische activiteit en hoeveelheid hete elektronen werden gemeten; de resultaten toonden aan dat de katalytische activiteit en het genereren van hete elektronen goed op elkaar zijn afgestemd en dat het reactiemechanisme kan worden bestudeerd met dynamische hete elektronen. "Op grafeen gebaseerde nanostructuren, zoals de onze zijn veelbelovende detectoren voor de studie van hete elektronendynamica op metalen NP's tijdens katalytische reacties", bevestigde het artikel van het team.

Het werk van het team, volgens hun papier, benadrukt dat de verlaagde contactweerstand op de Pt NPs / grafeen-interface het belangrijkste kenmerk is dat leidt tot efficiënte hete-elektronendetectie op de nanokatalysatoren in de op grafeen gebaseerde katalytische nanodiode. Door een enkele laag grafeen te gebruiken voor de elektrische verbinding van de Pt NP's, was het mogelijk om hete elektronen gemakkelijker te observeren vanwege zowel de atomair dunne aard van grafeen als de verminderde hoogte van de potentiële barrière die bestaat op de Pt NP's / grafeen-interface. Het onderzoek bij IBS kan, mogelijk, helpen bij het ontwerpen van katalytische en energiematerialen met verbeterde prestaties en lagere kosten. Eerste auteur en Ph.D. student Hyosun LEE verklaarde:"Hoewel er nog steeds potentieel is om de kwaliteit van de grafeenlaag zelf en het contact met de TiO2, de hier gepresenteerde benadering biedt een nieuwe manier om de rol van grafeen tijdens heterogene katalyse te bestuderen."