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據(jù)一個國際研究小組稱，證明了一種被認(rèn)為總是具有化學(xué)惰性的材料--六方氮化硼(hBN)可以變成化學(xué)活性，這為一類具有廣泛用途的新催化劑提供了潛力。
hBN是一種分層材料，單層材料可以像另一種二維材料石墨烯那樣被剝離。然而，這兩者之間有一個關(guān)鍵的區(qū)別。
賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)博士后學(xué)者、發(fā)表在《今日材料》上的這項(xiàng)研究的第一合著者雷宇(音譯)說：“雖然hBN與石墨烯的結(jié)構(gòu)相似，但硼和氮化物原子之間的強(qiáng)極性鍵使hBN與石墨烯不同，它在高溫下具有化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性。”
如果hBN具有化學(xué)活性而不是惰性，這將使它有更多的用途，包括成為類似于石墨烯的有用的、具有成本效益的催化劑支持。這將有助于實(shí)際應(yīng)用，如在汽油動力汽車中或?qū)⑻嫁D(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品，以幫助減少溫室氣體。
“你的汽油車?yán)锏拇呋骼镉匈F金屬鉑，用來處理有害氣體轉(zhuǎn)化為較少的有害氣體，”密歇根州立大學(xué)化學(xué)工程和材料科學(xué)副教授Jose Mendoza-Cortes說。“然而，這很昂貴，因?yàn)槟阈枰度氪罅康你K原子進(jìn)行催化。現(xiàn)在想象一下，你只需要放一個或兩個，仍然可以得到同樣的性能。”
鉑也被用作許多其他類型的實(shí)際化學(xué)反應(yīng)的催化劑，而進(jìn)行轉(zhuǎn)換的鉑原子通常在表面，而下面的鉑原子只是作為結(jié)構(gòu)支持存在。
Mendoza-Cortes說：“在這項(xiàng)研究中，我們使用了有缺陷的hBN作為結(jié)構(gòu)支撐，這比較便宜，同時暴露出大部分的鉑原子用于執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)。”
hBN中的缺陷是該材料化學(xué)活性的關(guān)鍵。研究人員通過一個叫做低溫研磨的過程在材料中制造了缺陷，即小孔，這涉及到過冷的材料，然后通過低溫研磨將其還原。這些孔是如此之小，以至于它們一次只能容納一個或兩個貴金屬原子。通過混合金屬鹽，小到一兩個原子的納米結(jié)構(gòu)可以沉積到hBN基材上，這是由于充滿孔的hBN的反應(yīng)性。
“由于氮化硼不會與任何東西發(fā)生反應(yīng)，那么如果你將鉑、金或銀鹽還原成單原子并將其置于氮化硼表面的缺陷(孔)中，你就可以用這種 ‘孔狀’的hBN作為催化劑的支撐物，”賓夕法尼亞州立大學(xué)Verne M. Willaman物理學(xué)教授以及化學(xué)和材料科學(xué)教授Maurico Terrones說。“這是一種全新的東西，這就是我們在這里展示的東西。”
證明這一點(diǎn)意義重大，因?yàn)橐郧叭藗冋J(rèn)為，一種如此惰性的材料永遠(yuǎn)不可能變得有化學(xué)活性。“這個項(xiàng)目最困難的部分是說服研究界，像hBN這樣惰性的材料可以被激活而具有化學(xué)反應(yīng)性，并作為催化劑的支持，”研究人員說。“在審查我們的研究過程中，審查員建議的額外實(shí)驗(yàn)改進(jìn)了工作，并幫助說服了社會。”
實(shí)驗(yàn)涉及使用材料表征實(shí)驗(yàn)室(MCL)的高端設(shè)備，該實(shí)驗(yàn)室是賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所的一部分。計(jì)算和理論計(jì)算是在密歇根州立大學(xué)的材料、工藝和量子模擬中心(MUSiC)實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)化研究所完成的。
“所以，我們想知道我們在材料中存在什么類型的缺陷，以及我們?nèi)绾巫C明我們有缺陷，而不是其他東西？” Terrones說。“因此，我們做了所有這些不同的非常詳細(xì)的表征，包括同步輻射，以證明我們所擁有的實(shí)際上是單原子鉑，而不是鉑簇。”
除了實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)還使用建模來證明他們的概念。Mendoza-Cortes說：“我們通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，我們可以使孔變得如此之小，以至于它們當(dāng)時只能容納1或2個原子的貴金屬。”
化學(xué)活性hBN的應(yīng)用潛力是多樣的，包括更具成本效益的催化劑、能源儲存和傳感器。此外，他們的技術(shù)有可能被用于激活其他惰性材料或使用其他(貴)金屬。
Terrones說：“我認(rèn)為我們的研究正在表明，本應(yīng)是惰性的材料可以通過創(chuàng)造和控制材料上的缺陷而被激活。我們證明了必要的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在原子水平上。如果它對氮化硼有效，它應(yīng)該對任何其他材料有效。”
(原標(biāo)題：科學(xué)家利用缺陷將惰性材料轉(zhuǎn)化為有用的活性材料)
浙公網(wǎng)安備 33010602000006號
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