De la conversion des gaz d'échappement des véhicules en gaz moins nocifs au raffinage du pétrole, la plupart des applications chimiques commerciales nécessitent des nanocatalyseurs car ils peuvent réduire le temps et les coûts requis en contrôlant la vitesse des réactions chimiques. L'activité catalytique et la sélectivité dépendent en grande partie de leurs propriétés physiques (taille, forme, et composition) ainsi que les caractéristiques électroniques; la dynamique des électrons chauds (haute énergie) à la surface et à l'interface des catalyseurs. Bien que l'industrie des catalyseurs soit en croissance constante, il est difficile d'autoriser des courants électriques aux nanocatalyseurs afin de détecter les électrons chauds et de mesurer l'efficacité catalytique.

Dans une nouvelle étude, l'équipe de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) travaillant sous la direction du chef de groupe du Centre, Professeur PARK Jeong Young, a créé une nanodiode catalytique composée d'une seule couche de graphène et de film de titane (TiO2) qui a permis la détection d'électrons chauds sur des nanoparticules de platine (Pt NPs). Cette recherche révolutionnaire a permis de développer une nanodiode catalytique qui a permis à l'équipe d'observer en temps réel le flux d'électrons chauds générés par les réactions chimiques. Étant donné que des électrons chauds sont créés lorsque l'excès d'énergie de la surface d'une réaction chimique est autorisé à se dissiper en femtoseconde, ils sont considérés comme un indicateur de l'activité catalytique. Cependant, la thermalisation rapide des électrons chauds rend la détection directe des électrons chauds assez difficile pour clarifier l'effet électronique sur l'activité catalytique sur les nanoparticules métalliques. Dans cette étude, les chercheurs ont extrait des « porteurs chauds » d'un catalyseur métallique à l'aide d'une jonction graphène-semi-conducteur.

Une nouvelle approche

Les expériences de l'équipe scientifique différaient des tentatives précédentes où de l'or avait été utilisé, ce qui s'est avéré inefficace, instable et cher. L'équipe du Centre des nanomatériaux et des réactions chimiques a expérimenté sur une seule couche de graphène, cultivées sur un film de cuivre avant d'être transportées vers TiO2 où les NP de Pt ont ensuite été déposées. Graphène, le matériau merveille 2D, a été utilisé en raison de ses propriétés électroniques et chimiques uniques. Lorsqu'il est intégré à des NP métalliques, L'équipe a observé des améliorations considérables des performances de conductivité entre le matériau de support et les NP de platine. L'activité catalytique et la quantité d'électrons chauds ont été mesurées; les résultats ont montré que l'activité catalytique et la génération d'électrons chauds sont bien adaptées et que le mécanisme de réaction peut être étudié avec une dynamique d'électrons chauds. "Nanostructures à base de graphène, comme le nôtre sont des détecteurs prometteurs pour l'étude de la dynamique des électrons chauds sur les NP métalliques au cours de réactions catalytiques", a confirmé l'article de l'équipe.

Le travail de l'équipe, selon leur papier, souligne que la résistance de contact réduite à l'interface Pt NPs/graphène est la principale caractéristique conduisant à une détection efficace des électrons chauds sur les nanocatalyseurs dans la nanodiode catalytique à base de graphène. En utilisant une seule couche de graphène pour la connexion électrique des Pt NPs, cela a permis une observation plus facile des électrons chauds en raison à la fois de la nature atomiquement mince du graphène et de la hauteur réduite de la barrière de potentiel existant à l'interface Pt NPs/graphène. Les recherches menées à l'IBS peuvent, potentiellement, aider à concevoir des matériaux catalytiques et énergétiques avec des performances améliorées et des coûts réduits. Premier auteur et Ph.D. L'étudiant Hyosun LEE a déclaré :« Même s'il existe encore un potentiel d'amélioration de la qualité de la couche de graphène elle-même et de son contact avec le TiO2, l'approche présentée ici offre une nouvelle façon d'étudier les rôles du graphène au cours de la catalyse hétérogène."