La figure montre (a) le transfert de charge entre le graphène supporté et la molécule d'O2 adsorbée lorsque le substrat est dopé avec une impureté (dans cet exemple, un élément métallique, code couleur en jaune). La couleur bleue (marron) dénote l'accumulation (l'épuisement) des électrons. (b) Profil énergétique du processus d'oxydation du monoxyde de carbone catalysé par du graphène supporté sur un substrat dopé au métal (CO + O2⇒CO2 + O*). En présence du catalyseur de graphène, la barrière de réaction est plus faible à 0,54 eV. Sans le catalyseur de graphène, il est beaucoup plus élevé à plus de 3 eV. Les structures atomiques calculées à divers états du processus sont affichées (IS :état initial, TS :état de transition, FS :état final). Crédit:npj Matériaux et applications 2-D
Les scientifiques de NUS ont développé des directives de conception qui augmentent l'efficacité catalytique des catalyseurs à l'état solide à base de graphène pour des applications industrielles potentielles.
Les catalyseurs sont largement utilisés dans l'industrie chimique pour rendre les processus de fabrication plus efficaces et économiques. Ceci est réalisé en fournissant une voie alternative pour la synthèse de produits chimiques et de composés. La catalyse à l'état solide à base de graphène (GBSSC) est une direction de recherche émergente, qui ouvre de nouvelles opportunités pour les applications du graphène dans la production de produits chimiques. Le graphène a un rapport surface/volume très élevé et devrait donc être un candidat prometteur pour les catalyseurs. Cependant, comme le graphène lui-même est chimiquement inerte, un moyen efficace mais pratique est nécessaire pour activer et libérer son potentiel catalytique. De nombreuses méthodes pour activer le graphène ont été proposées dans la littérature. Ces méthodes comprennent l'introduction de dopants, créant des contraintes mécaniques et y ajoutant des groupes fonctionnels. Ces méthodes nécessitant un traitement direct du graphène (en modifiant sa structure ou sa composition chimique), ils sont difficiles, sinon impossible, à réaliser de manière contrôlable en raison de la nature hautement inactive du graphène. Cela limite l'utilisation du GBSSC pour la production à grande échelle dans les applications industrielles.
En utilisant des techniques de modélisation informatique et de simulation, Le professeur Zhang Chun et son équipe de recherche des départements de physique et de chimie, NUS a développé un moyen d'activer le graphène en utilisant des défauts dans le substrat sous-jacent. Ces défauts comprennent des atomes d'impuretés dopés ou des lacunes. Cette méthode évite le traitement direct du graphène, ce qui en fait un moyen beaucoup plus pratique de libérer son potentiel catalytique pour des applications industrielles. Utiliser des calculs ab initio intensifs et complets (en utilisant les principes de base), l'équipe de recherche a montré que certains types de défauts dans le substrat (atomes d'impuretés métalliques de substitution ou lacunes) peuvent grandement améliorer la réactivité du graphène supporté. Cela a entraîné une forte adsorption chimique des molécules d'oxygène sur le graphène et a considérablement abaissé les barrières pour les réactions d'oxydation catalysées du monoxyde de carbone (CO).
Le professeur Zhang a expliqué, "L'origine de la réactivité élevée et de l'activité catalytique est due au transfert de charge induit par les impuretés ou les lacunes de la région de contact du substrat de graphène vers l'orbitale 2π d'oxygène. Ce transfert de charge affaiblit et facilite la rupture de l'oxygène. oxygène (OO) liaison de l'oxygène (O
L'équipe prévoit de collaborer avec des expérimentateurs pour fabriquer les catalyseurs proposés et explorer la possibilité d'applications à grande échelle.
