A Figura mostra (a) transferência de carga entre o grafeno suportado e a molécula de O2 adsorvida quando o substrato é dopado com uma impureza (neste exemplo, um elemento de metal, codificado por cores em amarelo). A cor azul (marrom) denota o acúmulo (esgotamento) de elétrons. (b) Perfil de energia do processo de oxidação de monóxido de carbono catalisado por grafeno suportado em um substrato dopado com metal (CO + O2⇒CO2 + O *). Na presença do catalisador de grafeno, a barreira da reação é inferior a 0,54 eV. Sem o catalisador de grafeno, é muito maior em mais de 3 eV. As estruturas atômicas computadas em vários estados do processo são mostradas (IS:estado inicial, TS:estado de transição, FS:estado final). Crédito:npj 2-D Materiais e aplicativos
Os cientistas da NUS desenvolveram diretrizes de projeto que aumentam a eficácia catalítica dos catalisadores de estado sólido à base de grafeno para aplicações industriais em potencial.
Os catalisadores são amplamente usados na indústria química para tornar os processos de fabricação mais eficientes e econômicos. Isso é conseguido fornecendo um caminho alternativo para a síntese de produtos químicos e compostos. A catálise de estado sólido à base de grafeno (GBSSC) é uma direção de pesquisa emergente, que abre novas oportunidades para aplicações de grafeno na produção de produtos químicos. O grafeno tem uma relação superfície-volume muito alta e, portanto, espera-se que seja um candidato promissor para catalisadores. Contudo, como o próprio grafeno é quimicamente inerte, uma maneira eficaz, porém prática, é necessária para ativar e desbloquear seu potencial catalítico. Muitos métodos para ativar o grafeno têm sido propostos na literatura. Esses métodos incluem a introdução de dopantes, criando tensões mecânicas e acrescentando grupos funcionais a ela. Como esses métodos requerem tratamento direto de grafeno (modificando sua estrutura ou composição química), Eles são difíceis, se não impossível, realizar de forma controlável devido à natureza altamente inativa do grafeno. Isso limita o uso de GBSSC para produção em grande escala em aplicações industriais.
Usando modelagem computacional e técnicas de simulação, O professor Zhang Chun e sua equipe de pesquisa dos Departamentos de Física e Química, A NUS desenvolveu uma maneira de ativar o grafeno usando defeitos no substrato subjacente. Esses defeitos incluem átomos de impureza dopados ou espaços vazios. Este método evita o tratamento direto de grafeno, tornando-o uma maneira muito mais prática de desbloquear seu potencial catalítico para aplicações industriais. Usando cálculos ab initio intensivos e abrangentes (usando princípios básicos), a equipe de pesquisa mostrou que certos tipos de defeitos no substrato (átomos de impureza de metal substitucional ou vazios) podem aumentar muito a reatividade do grafeno suportado. Isso resultou em forte adsorção química de moléculas de oxigênio no grafeno e reduziu drasticamente as barreiras para reações de oxidação de monóxido de carbono (CO) catalisadas.
Prof Zhang explicou, "A origem da alta reatividade e atividade catalítica é determinada pela transferência de carga induzida por impureza ou vacância da região de contato grafeno-substrato para o orbital 2π do oxigênio. Esta transferência de carga enfraquece e facilita a quebra do oxigênio ligação de oxigênio (OO) do oxigênio (O 2 ) molécula que é adsorvida na folha de grafeno e permite a formação de dióxido de carbono (CO 2 ) Sem a transferência de carga, a ligação O-O é muito forte para que a reação de oxidação do CO ocorra sob a temperatura ambiente. Nossos resultados abrem caminho para uma nova família de catalisadores de estado sólido à base de grafeno de alto desempenho com potencial para aplicações industriais. "
A equipe planeja colaborar com experimentalistas para fabricar os catalisadores propostos e explorar a possibilidade de aplicações em larga escala.
