به گفته یک تیم بین المللی از محققان، نیترید بور شش ضلعی (hBN) ماده ای که تصور می شود همیشه از نظر شیمیایی بی اثر است، را می توان از نظر شیمیایی فعال کرد، پتانسیل را برای کلاس جدیدی از کاتالیزورها با طیف گسترده ای از کاربردها دارد.
hBN یک ماده لایه‌ای است و تک‌لایه‌ها را می‌توان مانند گرافن، یک ماده دو بعدی دیگر، لایه‌برداری کرد. با این حال، بین این دو تفاوت اساسی وجود دارد.
یولی، محقق فوق دکتری فیزیک در ایالت پن، گفت: «در حالی که hBN ساختاری مشابه گرافن دارد، پیوندهای قطبی قوی بین اتم‌های بور و نیترید، hBN را بر خلاف گرافن می‌سازد زیرا در دمای بالا از نظر شیمیایی بی‌اثر است و از نظر حرارتی پایدار است. یکی از نویسندگان این مطالعه که در Materials Today منتشر شده است.
اگر hBN از نظر شیمیایی فعال بود و بی‌اثر نبود، استفاده‌های بیشتری از آن، از جمله پشتیبانی مفید و مقرون‌به‌صرفه کاتالیست مشابه گرافن، امکان‌پذیر بود. این برای کاربردهای عملی مانند خودروهای بنزینی یا تبدیل کربن برای کمک به کاهش گازهای گلخانه‌ای به سایر محصولات مفید خواهد بود.
خوزه مندوزا کورتس، استادیار مهندسی شیمی و علم مواد در دانشگاه ایالتی میشیگان، گفت: مبدل کاتالیزوری در خودروی بنزینی شما دارای فلز گرانبها پلاتین است تا تبدیل گازهای مضر را به گازهای کم‌مضرر پردازش کند. با این حال، این گران است زیرا برای کاتالیز باید مقدار زیادی اتم پلاتین در آن قرار داد. حالا تصور کنید که فقط باید یک یا دو را بگذارید و همچنان همان عملکرد را داشته باشید."
پلاتین همچنین به عنوان یک کاتالیزور برای بسیاری از انواع دیگر واکنش‌های شیمیایی عملی استفاده می‌شود و اتم‌های پلاتین که تبدیل را انجام می‌دهند معمولاً روی سطح هستند، در حالی که اتم‌های زیر فقط به عنوان پشتیبان ساختاری در آنجا هستند.
Mendoza-Cortes گفت: «در این مطالعه، ما از hBN معیوب به عنوان پشتیبان ساختاری استفاده کرده‌ایم که ارزان‌تر است و در عین حال بیشتر اتم پلاتین را برای انجام واکنش‌های شیمیایی در معرض دید قرار می‌دهد.
نقص در hBN کلید فعالیت شیمیایی این ماده است. محققان از طریق فرآیندی به نام Cryomilling که شامل فوق خنک کردن یک ماده و سپس کاهش آن از طریق سنگ زنی برودتی است، عیوب، سوراخ‌های ریز را در مواد ایجاد کردند.
سوراخ ها به قدری کوچک هستند که می توانند تنها یک یا دو اتم از یک فلز گرانبها را در هر لحظه در خود جای دهند. با اختلاط یک نمک فلزی، نانوساختارهایی به کوچکی یک یا دو اتم بر روی بستر hBN به دلیل واکنش پذیری hBN پر از حفره می‌توانند رسوب کنند.
از آنجایی که نیترید بور با هیچ چیز واکنش نشان نمی دهد، پس اگر نمک پلاتین، طلا یا نقره را به اتم های منفرد تبدیل کنید و آنها را در نواقص (سوراخ) روی نیترید بور قرار دهید، می توانید از این hBN "حفره ای" به عنوان پشتیبان کاتالیزورها استفاده کنید. Maurico Terrones، Verne M. Willaman، پروفسور فیزیک و استاد شیمی و علم مواد در ایالت پن، می گوید. این چیزی کاملاً جدید است، و این چیزی است که ما در اینجا نشان دادیم.
نشان دادن این امر قابل توجه بود، زیرا قبلاً اعتقاد بر این بود که ماده ای که تا این حد بی اثر است هرگز نمی تواند از نظر شیمیایی فعال شود.
لی گفت: «سخت‌ترین بخش این پروژه متقاعد کردن جامعه تحقیقاتی بود که موادی که به اندازه hBN بی‌اثر هستند، می‌توانند فعال شوند تا واکنش‌پذیری شیمیایی داشته باشند و به عنوان پشتیبان کاتالیزور عمل کنند.» "در طول فرآیند بررسی مطالعه ما، آزمایش‌های اضافی که توسط بازبینان پیشنهاد شده بود، کار را بهبود بخشید و به متقاعد کردن جامعه کمک کرد."
این آزمایش‌ها شامل استفاده از تجهیزات پیشرفته در آزمایشگاه مشخصه‌سازی مواد (MCL)، بخشی از موسسه تحقیقات مواد در ایالت پن بود. محاسبات محاسباتی و نظری در آزمایشگاه مواد، فرآیندها و مرکز شبیه‌سازی کوانتومی (MUSiC) و موسسه تحقیقات سایبری فعال در دانشگاه ایالتی میشیگان انجام شده است.
"بنابراین، ما می‌خواستیم بدانیم چه نوع نقصی در مواد داریم و چگونه می‌توانیم نشان دهیم که نقص داریم و چیز دیگری نیست؟" ترونز گفت بنابراین، ما همه این توصیفات بسیار دقیق مختلف، از جمله تشعشعات سنکروترون، انجام دادیم تا نشان دهیم آنچه که داشتیم در واقع پلاتین تک اتمی بود و نه خوشه های پلاتین.
فراتر از آزمایش‌ها، این تیم از مدل‌سازی نیز برای اثبات مفهوم خود استفاده کردند.
مندوزا-کورتز گفت: «ما به صورت محاسباتی و تجربی نشان دادیم و ثابت کردیم که می‌توانیم حفره‌هایی چنان کوچک ایجاد کنیم که در آن زمان فقط 1 یا 2 اتم فلزات گرانبها را در خود جای دهند.
پتانسیل کاربردهای hBN فعال شیمیایی متفاوت است، از جمله کاتالیزورهای مقرون به صرفه تر، ذخیره انرژی و حسگرها. علاوه بر این، این پتانسیل وجود دارد که تکنیک آنها می تواند برای فعال کردن سایر مواد بی اثر یا استفاده از فلزات دیگر (گرانبها) مورد استفاده قرار گیرد.
ترونز گفت: «من فکر می‌کنم که ما نشان می‌دهیم که موادی که قرار است بی‌اثر باشند، می‌توانند با ایجاد و کنترل نقص روی مواد فعال شوند. ما نشان دادیم که شیمی ضروری در سطح اتمی اتفاق می افتد. اگر برای نیترید بور کار کند، باید برای هر ماده دیگری کار کند.
این مطالعه تا حدی توسط بنیاد ملی علوم حمایت شد. این کار تا حدی از طریق منابع محاسباتی و خدمات ارائه شده توسط مؤسسه تحقیقات سایبری فعال در دانشگاه ایالتی میشیگان پشتیبانی شده است.
های فن تک از شما دعوت می کند نظرات خود را در مورد این مقاله به اشتراک بگذارید