Le graphène « coupé-collé » avec des nanoparticules métalliques a été réalisé sous irradiation micro-ondes. L'étude a révélé des processus uniques se produisant sur les couches de carbone sous l'influence de nanoparticules métalliques chauffées par irradiation micro-ondes. Comprendre les processus qui se déroulent dans les systèmes métal/carbone est crucial pour le développement d'une nouvelle génération de catalyseurs hautement efficaces pour la synthèse organique et l'industrie chimique. Les auteurs ont décrit les transformations clés responsables de l'évolution du catalyseur en relation avec la préparation de systèmes métal/carbone nanostructurés.

L'étude, réalisée dans le laboratoire du professeur V.P.Ananikov à l'Institut Zelinsky de chimie organique de l'Académie des sciences de Russie, ont découvert une variété de processus se produisant à la surface d'un matériau carboné lors d'un contact avec des nanoparticules métalliques chaudes. Nanoparticules métalliques, chauffé par rayonnement micro-ondes, causé des changements morphologiques importants de la surface du carbone :formation de motifs de fosses et de canaux, pénétration à l'intérieur du matériau carboné et croissance directe de nanotubes de carbone.

Comme il est largement accepté maintenant, la découverte et l'étude systématique des nanotubes de carbone ont été l'un des points marquants du début de l'ère des nanotechnologies. Les nanotubes de carbone sont des structures tubulaires à l'échelle nanométrique constituées d'atomes de carbone disposés dans des anneaux à six chaînons interconnectés à l'intérieur d'une paroi cylindrique. D'un certain point de vue, le nanotube de carbone peut être représenté comme une feuille de graphène (feuille plate d'épaisseur monoatomique) enroulée dans un cylindre et collée au carbone sur les bords. L'accès direct aux nanotubes de carbone à partir du graphène (et surtout à partir de précurseurs beaucoup moins chers - les couches de graphène dans le graphite) serait un processus exceptionnel d'un grand intérêt pratique. Les questions apparaissent :est-il facile de découper des feuilles de graphite et de les enrouler ? Viole-t-il les facteurs thermodynamiques ?

La présente étude, publié dans le Catalyse ACS journal, découvert une série de processus médiés dans des systèmes métal-carbone sous irradiation micro-ondes. La "coupe" des tranches de carbone par des particules métalliques chaudes a été clairement observée par microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM). Le "collage" d'atomes de carbone dans un nouvel emplacement a entraîné une croissance de nanotubes de carbone à la surface du graphite - le processus a également été observé dans l'expérience sous une atmosphère inerte.

Dans la modélisation théorique, les auteurs ont envisagé la possibilité suivante :au début, la feuille de graphène peut être découpée en nanorubans d'un anneau aromatique de large (Figure 1). Puis, chaque nanoruban est enroulé dans des cycloparaphénylènes – ces molécules sont connues et ont été décrites précédemment. Sur les étapes ultérieures, des cycles cycloparaphénylène sont réunis pour former le nanotube. Des étapes importantes de ce processus ont été modélisées par des calculs de chimie quantique impliquant la théorie de la fonctionnelle de la densité.

Comme le montre la modélisation théorique, l'énergie d'un tel processus dépend fortement de l'état initial des bords de la feuille de graphène. Si les bords sont coiffés d'hydrogène (réaction 1, Figure 2), le processus global de réaction de formation de nanotubes s'accompagne de la libération de 20 molécules d'hydrogène et est énergétiquement défavorable (l'augmentation de l'énergie est d'environ 2,5 kcal/mol pour un atome de carbone). La réaction (2) implique des bords de graphène partiellement hydrogénés et elle est énergétiquement plus favorable (la diminution d'énergie est d'environ 1,5 kcal/mol pour un atome de carbone). Le processus le plus favorable du point de vue thermodynamique est la formation d'un nanotube à partir d'une feuille de graphène entièrement déshydrogéné (réaction 3). Ce processus s'est accompagné d'une diminution d'énergie d'environ 4,6 kcal/mol par atome de carbone.

Constats importants, décrit dans l'article, traitent de la transformation du support carboné dans les catalyseurs Métal/Carbone. Pendant longtemps, on a considéré que le support de carbone est un matériau inerte (innocent) utilisé uniquement pour supporter (ancrer) des nanoparticules métalliques. La présente étude a clairement montré que ce n'est pas toujours le cas. Les particules métalliques interagissent avec le support de carbone et l'interaction conduit à une modification étonnante de la morphologie des systèmes Métal/Carbone. Comprendre la nature de cette interaction joue un rôle clé dans le développement de systèmes catalytiques efficaces et stables. L'évolution du catalyseur au cours de la transformation chimique peut être responsable de la désactivation du catalyseur et de la perte d'activité catalytique.