p Os sistemas nanoporosos dos zeólitos são um modelo ideal para a síntese da arquitetura de grafeno tridimensional (3D), mas as altas temperaturas necessárias para sua síntese fazem com que as reações ocorram de forma não seletiva. A equipe do IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials baixou a temperatura necessária para a carbonização incorporando íons de lantânio (La3 +), um elemento de metal branco prateado, nos poros do zeólito. p Grafeno, um alótropo de carbono, descoberto há mais de uma década, levou a inúmeras pesquisas que buscam desbloquear seu vasto potencial. Zeólitos, catalisadores sólidos microporosos comumente usados ​​na indústria petroquímica, recentemente atraíram a atenção no campo da ciência de materiais como um modelo para a síntese de carbono. Cada cristal individual é diferenciado por sua estrutura de poro de tamanho único de 1 nanômetro (nm), esta estrutura facilita a acomodação dos nanotubos de carbono dentro da zeólita. No papel, esses sistemas nanoporosos são um modelo ideal para a síntese da arquitetura de grafeno tridimensional (3D), mas os poros da zeólita são muito pequenos para acomodar compostos moleculares volumosos como o álcool poliaromático e furfurílico que são frequentemente usados ​​na síntese de carbono. Pequenas moléculas como etileno e acetileno podem ser usadas como uma fonte de carbono para alcançar uma carbonização bem-sucedida dentro dos poros do zeólito, mas tem um grande custo. As altas temperaturas necessárias para a síntese fazem com que as reações ocorram de forma não seletiva nas superfícies externas da zeólita, bem como nas paredes dos poros internos, resultando na deposição de coque e, conseqüentemente, causando sérias limitações de difusão nos poros da zeólita.

p A equipe do Centro IBS para Nanomateriais e Materiais de Carbono resolveu esse enigma com uma abordagem inovadora. O primeiro autor, Dr. KIM Kyoungsoo, explica:"A síntese de carbono do molde de zeólita existe há muito tempo, mas o problema com as temperaturas impediu muitos cientistas de extrair todo o seu potencial. Aqui, nossa equipe procurou encontrar a resposta incorporando íons de lantânio (La3 +), um elemento de metal branco prateado, nos poros do zeólito. Isso diminui a temperatura necessária para a carbonização de etileno ou acetileno. A estrutura de carbono sp2 semelhante ao grafeno pode ser formada seletivamente dentro do molde de zeólita, sem deposição de carbono nas superfícies externas. Depois que o modelo zeólito é removido, a estrutura de carbono exibe a condutividade elétrica duas ordens de magnitude maior do que o carbono mesoporoso amorfo, o que é um resultado bastante surpreendente. Esta estratégia de síntese altamente eficiente com base nos íons de lantânio torna a formação da estrutura de carbono em poros com menos de 1 nm de diâmetro tão facilmente reproduzível quanto em modelos mesoporosos, e, assim, fornece um método geral para sintetizar nanoestruturas de carbono com várias topologias correspondentes às topologias de poro do zeólito, como FAU, EMT, beta, LTL, MFI e LTA. Também, toda a síntese pode ser facilmente ampliada, o que é importante para aplicações práticas - baterias, armazenamento de combustível e outros suportes de catalisador do tipo zeólita. "

p A equipe IBS começou seu experimento utilizando íons La3 +. Dr. KIM elucida porque este elemento branco prateado provou ser tão benéfico para a equipe, "Os íons La3 + não são redutíveis nas condições do processo de carbonização, para que eles possam permanecer dentro dos poros do zeólito em vez de se moverem para a superfície externa do zeólito na forma de partícula de metal reduzida. Dentro dos poros, eles podem estabilizar o etileno e a pirocondensação intermediária para formar uma estrutura de carbono no zeólito. "

p Para testar esta hipótese, a equipe comparou a quantidade de carbono depositado na forma contendo La3 + da amostra de zeólita Y (LaY) com uma série de outras amostras, como NaY e HY. Os resultados experimentais indicam que todos os LaY, As amostras de zeólitos NaY e HY mostram rápida deposição de carbono a 800 ° C. Contudo, conforme a temperatura diminui, parece haver uma diferença dramática entre as diferentes formas iônicas de zeólita. A 600 ° C, o zeólito LaY ainda é ativo como molde de deposição de carbono. Em contraste, tanto NaY quanto HY perdem suas funções de deposição de carbono quase completamente.

p Futuro aplicativo para síntese de zeólito

p Os resultados, de acordo com seu artigo publicado em Natureza , destacar um efeito catalítico do lantânio para a carbonização. Ao fazer grafeno com arquiteturas nanoporosas periódicas 3D, promete uma ampla gama de aplicações úteis, como baterias e catalisadores, mas devido à falta de estratégias sintéticas eficientes, tais aplicações ainda não tiveram sucesso. Tirando vantagem do enchimento de carbono seletivo para poros em temperaturas reduzidas, a síntese pode ser facilmente ampliada para estudos que requerem grandes quantidades de carbono; em particular alta condutividade elétrica, aspecto muito procurado para a produção de baterias.