O grafeno "cortar e colar" com nanopartículas metálicas foi realizado sob irradiação de micro-ondas. O estudo revelou processos únicos que ocorrem nas camadas de carbono sob a influência de nanopartículas metálicas aquecidas por irradiação de microondas. Compreender os processos que ocorrem nos sistemas Metal / Carbono é crucial para o desenvolvimento de uma nova geração de catalisadores altamente eficientes para síntese orgânica e indústria química. Os autores descreveram as principais transformações responsáveis ​​pela evolução do catalisador em conexão com a preparação de sistemas nanoestruturados de Metal / Carbono.

O estudo, realizado no laboratório do Prof. V.P.Ananikov no Instituto Zelinsky de Química Orgânica da Academia Russa de Ciências, descobriram uma variedade de processos que ocorrem na superfície do material de carbono em contato com nanopartículas de metal quente. Nanopartículas de metal, aquecido por radiação de microondas, causou mudanças morfológicas significativas da superfície do carbono:formação de padrões de poços e canais, penetração dentro do material de carbono e crescimento direto de nanotubos de carbono.

Como é amplamente aceito agora, A descoberta e o estudo sistemático de nanotubos de carbono foi um dos principais pontos de inovação no início da era da nanotecnologia. Os nanotubos de carbono são estruturas tubulares em nanoescala que consistem em átomos de carbono dispostos nos anéis de seis membros interconectados dentro de uma parede cilíndrica. De um certo ponto de vista, o nanotubo de carbono pode ser representado como uma folha de grafeno (folha plana de espessura monoatômica) enrolada em um cilindro e colada com carbono nas bordas. O acesso direto aos nanotubos de carbono a partir do grafeno (e especialmente a partir de um precursor muito mais barato - camadas de grafeno em grafite) seria um processo notável de grande interesse prático. Surgem as perguntas:quão fácil é cortar folhas de grafite e enrolá-las? Isso viola fatores termodinâmicos?

O presente estudo, publicado no Catálise ACS Diário, descobriu uma série de processos mediados em sistemas metal-carbono sob irradiação de microondas. O "corte" de fatias de carbono por partículas de metal quente foi claramente observado por microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FE-SEM). A "colagem" de átomos de carbono em um novo local resultou no crescimento de nanotubos de carbono na superfície do grafite - o processo também foi observado no experimento sob uma atmosfera inerte.

Na modelagem teórica, os autores consideraram a seguinte possibilidade:nos primeiros estágios, a folha de grafeno pode ser cortada em nanofitas de um anel aromático de largura (Figura 1). Então, cada nanofita é enrolada em cicloparafenilenos - essas moléculas são conhecidas e foram descritas anteriormente. Nas fases posteriores, anéis de cicloparafenileno são unidos para formar o nanotubo. Etapas importantes desse processo foram modeladas por cálculos químicos quânticos envolvendo a teoria do funcional da densidade.

Conforme mostrado pela modelagem teórica, a energia desse processo depende fortemente do estado inicial das bordas da folha de grafeno. Se as bordas forem tampadas com hidrogênio (reação 1, Figura 2), o processo geral de reação de formação de nanotubos é acompanhado pela liberação de 20 moléculas de hidrogênio e é energeticamente desfavorável (o aumento da energia é de ~ 2,5 kcal / mol por um átomo de carbono). A reação (2) envolve bordas de grafeno parcialmente hidrogenadas e é energeticamente mais favorável (a redução de energia é de ~ 1,5 kcal / mol por um átomo de carbono). O processo mais favorável do ponto de vista termodinâmico é a formação de um nanotubo a partir de uma folha de grafeno totalmente desidrogenada (reação 3). Este processo foi acompanhado por uma diminuição de energia de ~ 4,6 kcal / mol por um átomo de carbono.

Descobertas importantes, descrito no artigo, lidar com a transformação do suporte de carbono em catalisadores de Metal / Carbono. Por muito tempo foi considerado que o suporte de carbono é um material inerte (inocente) usado apenas para suporte (ancoragem) de nanopartículas metálicas. O presente estudo mostrou claramente que nem sempre é o caso. As partículas de metal interagem com o suporte de carbono e a interação leva a uma modificação surpreendente da morfologia dos sistemas Metal / Carbono. Compreender a natureza dessa interação desempenha um papel fundamental no desenvolvimento de sistemas catalíticos eficientes e estáveis. A evolução do catalisador durante a transformação química pode ser responsável pela desativação do catalisador e perda da atividade catalítica.