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科学家利用缺陷将惰性材料转化为有用的活性材料
文章来源:新材料在线     点击数: 次     更新时间:2021-12-28 14:42

 据一个国际研究小组称,证明了一种被认为总是具有化学惰性的材料--六方氮化硼(hBN)可以变成化学活性,这为一类具有广泛用途的新催化剂提供了潜力。

 

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hBN是一种分层材料,单层材料可以像另一种二维材料石墨烯那样被剥离。然而,这两者之间有一个关键的区别。

宾夕法尼亚州立大学物理学博士后学者、发表在《今日材料》上的这项研究的第一合著者雷宇(音译)说:“虽然hBN与石墨烯的结构相似,但硼和氮化物原子之间的强极性键使hBN与石墨烯不同,它在高温下具有化学惰性和热稳定性。”

如果hBN具有化学活性而不是惰性,这将使它有更多的用途,包括成为类似于石墨烯的有用的、具有成本效益的催化剂支持。这将有助于实际应用,如在汽油动力汽车中或将碳转化为其他产品,以帮助减少温室气体。

“你的汽油车里的催化器里有贵金属铂,用来处理有害气体转化为较少的有害气体,”密歇根州立大学化学工程和材料科学副教授Jose Mendoza-Cortes说。“然而,这很昂贵,因为你需要投入大量的铂原子进行催化。现在想象一下,你只需要放一个或两个,仍然可以得到同样的性能。”

铂也被用作许多其他类型的实际化学反应的催化剂,而进行转换的铂原子通常在表面,而下面的铂原子只是作为结构支持存在。

Mendoza-Cortes说:“在这项研究中,我们使用了有缺陷的hBN作为结构支撑,这比较便宜,同时暴露出大部分的铂原子用于执行化学反应。”

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hBN中的缺陷是该材料化学活性的关键。研究人员通过一个叫做低温研磨的过程在材料中制造了缺陷,即小孔,这涉及到过冷的材料,然后通过低温研磨将其还原。这些孔是如此之小,以至于它们一次只能容纳一个或两个贵金属原子。通过混合金属盐,小到一两个原子的纳米结构可以沉积到hBN基材上,这是由于充满孔的hBN的反应性。

“由于氮化硼不会与任何东西发生反应,那么如果你将铂、金或银盐还原成单原子并将其置于氮化硼表面的缺陷(孔)中,你就可以用这种 ‘孔状’的hBN作为催化剂的支撑物,”宾夕法尼亚州立大学Verne M. Willaman物理学教授以及化学和材料科学教授Maurico Terrones说。“这是一种全新的东西,这就是我们在这里展示的东西。”

证明这一点意义重大,因为以前人们认为,一种如此惰性的材料永远不可能变得有化学活性。“这个项目最困难的部分是说服研究界,像hBN这样惰性的材料可以被激活而具有化学反应性,并作为催化剂的支持,”研究人员说。“在审查我们的研究过程中,审查员建议的额外实验改进了工作,并帮助说服了社会。”

实验涉及使用材料表征实验室(MCL)的高端设备,该实验室是宾夕法尼亚州立大学材料研究所的一部分。计算和理论计算是在密歇根州立大学的材料、工艺和量子模拟中心(MUSiC)实验室和网络化研究所完成的。

“所以,我们想知道我们在材料中存在什么类型的缺陷,以及我们如何证明我们有缺陷,而不是其他东西?” Terrones说。“因此,我们做了所有这些不同的非常详细的表征,包括同步辐射,以证明我们所拥有的实际上是单原子铂,而不是铂簇。”

除了实验,该团队还使用建模来证明他们的概念。Mendoza-Cortes说:“我们通过计算和实验证明,我们可以使孔变得如此之小,以至于它们当时只能容纳1或2个原子的贵金属。”

化学活性hBN的应用潜力是多样的,包括更具成本效益的催化剂、能源储存和传感器。此外,他们的技术有可能被用于激活其他惰性材料或使用其他(贵)金属。

Terrones说:“我认为我们的研究正在表明,本应是惰性的材料可以通过创造和控制材料上的缺陷而被激活。我们证明了必要的化学反应发生在原子水平上。如果它对氮化硼有效,它应该对任何其他材料有效。”

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