Demonstrar que um material considerado sempre quimicamente inerte, o nitreto de boro hexagonal (hBN), pode ser quimicamente ativo tem potencial para uma nova classe de catalisadores com uma ampla gama de aplicações, de acordo com uma equipe internacional de pesquisadores.
O hBN é um material em camadas e as monocamadas podem ser esfoliadas como no grafeno, outro material bidimensional. No entanto, há uma diferença fundamental entre os dois.

"Embora o hBN compartilhe uma estrutura semelhante ao grafeno, as fortes ligações polares entre os átomos de boro e nitreto tornam o hBN diferente do grafeno, pois é quimicamente inerte e termicamente estável em alta temperatura", disse Yu Lei, pesquisador de pós-doutorado em física na Penn State e primeiro coautor do estudo publicado na Materials Today.

Se o hBN fosse quimicamente ativo e não inerte, isso permitiria mais usos para ele, inclusive sendo um suporte de catalisador útil e econômico semelhante ao grafeno. Isso seria útil para aplicações práticas, como em um automóvel movido a gasolina ou para converter carbono para ajudar a reduzir os gases de efeito estufa em outros produtos.

“O conversor catalítico do seu carro a gasolina tem o metal precioso platina para processar a conversão de gases nocivos em gases menos nocivos”, disse Jose Mendoza-Cortes, professor assistente de engenharia química e ciência de materiais da Michigan State University. "No entanto, isso é caro porque você precisa colocar muitos átomos de platina para a catálise. Agora imagine que você só precisa colocar um ou dois, e ainda obter o mesmo desempenho."

A platina também é usada como catalisador para muitos outros tipos de reações químicas práticas, e os átomos de platina que realizam a conversão geralmente estão na superfície, enquanto os abaixo estão lá apenas como suporte estrutural.

"Neste estudo, usamos hBN defeituoso como suporte estrutural, que é mais barato, enquanto expomos a maior parte do átomo de platina para realizar reações químicas", disse Mendoza-Cortes.

Os defeitos no hBN são a chave para a atividade química do material. Os pesquisadores fizeram defeitos, pequenos buracos, nos materiais por meio de um processo chamado criolaminação, que envolve o super-resfriamento de um material e, em seguida, reduzi-lo por meio de moagem criogênica.

Os buracos são tão pequenos que podem conter apenas um ou dois átomos de um metal precioso de cada vez. Ao misturar um sal metálico, nanoestruturas tão pequenas quanto um átomo ou dois no substrato de hBN podem ser depositadas, devido à reatividade do hBN preenchido com buracos.

"Como o nitreto de boro não reage com nada, então você pode usar este hBN "buraco" como suporte para catalisadores se você reduzir um sal de platina, ouro ou prata em átomos únicos e colocá-los em defeitos (buracos) no nitreto de boro superfície", disse Maurico Terrones, Verne M. Willaman Professor de física e professor de química e ciência dos materiais na Penn State. "Isso é algo totalmente novo, e foi isso que demonstramos aqui."

Demonstrar isso foi significativo, pois se acreditava anteriormente que um material tão inerte nunca poderia se tornar quimicamente ativo.

“A parte mais difícil deste projeto foi convencer a comunidade de pesquisa de que um material tão inerte quanto o hBN pode ser ativado para ter reatividade química e servir como suporte do catalisador”, disse Lei. "Durante o processo de revisão do nosso estudo, experimentos adicionais que foram sugeridos pelos revisores melhoraram o trabalho e ajudaram a convencer a comunidade."

Os experimentos envolveram o uso de equipamentos de ponta no Laboratório de Caracterização de Materiais (MCL), parte do Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State. Os cálculos computacionais e teóricos foram feitos no Laboratório de Materiais, Processos e Simulação Quântica (MUSiC) e no Institute for Cyber-Enabled Research da Michigan State University.

"Então, queríamos saber que tipo de defeitos tínhamos no material e como podemos demonstrar que temos os defeitos e não é outra coisa?" disse Terrones. “Então, fizemos todas essas várias caracterizações muito detalhadas, incluindo radiação síncrotron, para demonstrar que o que tínhamos era de fato platina de átomo único, e não aglomerados de platina”.

Além dos experimentos, a equipe também usou modelagem para provar seu conceito.

"Nós mostramos e provamos computacionalmente e experimentalmente que podemos fazer buracos tão pequenos que eles podem conter apenas 1 ou 2 átomos de metais preciosos na época", disse Mendoza-Cortes.

O potencial de aplicações para hBN quimicamente ativo é variado, incluindo catalisadores mais econômicos, armazenamento de energia e sensores. Além disso, existe o potencial de que sua técnica possa ser usada para ativar outros materiais inertes ou usar outros metais (preciosos).

"Acho que estamos mostrando que o material supostamente inerte pode ser ativado criando e controlando defeitos no material", disse Terrones. "Nós demonstramos que a química necessária acontece no nível atômico. Se funciona para o nitreto de boro, deve funcionar para qualquer outro material."