Des défauts dans la structure du réseau du nitrure de bore hexagonal peuvent être détectés par photoluminescence. Les chercheurs projettent une lumière avec une couleur ou une énergie sur le matériau et obtiennent une couleur différente du défaut. De plus, la figure montre des bulles d’hydrogène générées à partir de ces défauts qui contiennent des atomes de catalyseur (sphères grises et sombres attachées aux lacunes). Crédit : Elizabeth Flores-Gomez Murray, Yu Lei et Kazunori Fujisawa
Démontrer qu’un matériau pensé pour être toujours chimiquement inerte, le nitrure de bore hexagonal (hBN), peut être rendu chimiquement actif détient le potentiel pour une nouvelle classe de catalyseurs avec un large éventail d’applications, selon une équipe internationale de chercheurs.
hBN est un matériau en couches et les monocouches peuvent être exfoliées comme dans graphène, un autre matériau bidimensionnel. Cependant, il existe une différence essentielle entre les deux.
“Bien que le hBN partage une structure similaire à celle du graphène, les fortes liaisons polaires entre les atomes de bore et de nitrure rendent le hBN différent du graphène en ce qu’il est chimiquement inerte et thermiquement stable à haute température”, a déclaré Yu Lei, chercheur postdoctoral en physique à Penn State et premier co-auteur de l’étude publiée dans Matériaux aujourd’hui.
Si le hBN était chimiquement actif et non inerte, cela permettrait d’autres utilisations, notamment en tant que support de catalyseur utile et économique similaire au graphène. Cela serait utile pour des applications pratiques comme dans une automobile à essence ou pour convertir le carbone pour aider à réduire les gaz à effet de serre en d’autres produits.
“Le convertisseur catalytique de votre voiture à essence contient du platine, un métal précieux, pour traiter la conversion des gaz nocifs en gaz moins nocifs”, a déclaré Jose Mendoza-Cortes, professeur adjoint de génie chimique et de science des matériaux à la Michigan State University. “Cependant, cela coûte cher car vous devez mettre beaucoup d’atomes de platine pour la catalyse. Imaginez maintenant que vous n’avez besoin d’en mettre qu’un ou deux et que vous obtenez toujours les mêmes performances.
Le platine est également utilisé comme catalyseur pour de nombreux autres types de réactions chimiques pratiques, et les atomes de platine qui effectuent la conversion sont généralement à la surface, tandis que ceux ci-dessous sont simplement là comme support structurel.
« Dans cette étude, nous avons utilisé du hBN défectueux comme support structurel, ce qui est moins cher, tout en exposant la majeure partie du platine atome pour effectuer des réactions chimiques », a déclaré Mendoza-Cortes.
Les défauts du hBN sont la clé de l’activité chimique du matériau. Les chercheurs ont fait des défauts, de minuscules trous, dans les matériaux via un processus appelé cryobroyage, qui consiste à surfusionner un matériau puis à le réduire par broyage cryogénique.
Les trous sont si petits qu’ils ne peuvent contenir qu’un ou deux atomes d’un métal précieux à la fois. En mélangeant un sel métallique, des nanostructures aussi petites qu’un ou deux atomes sur le substrat hBN peuvent être déposées, en raison de la réactivité du hBN rempli de trous.
« Comme le nitrure de bore ne réagit avec rien, vous pouvez utiliser ce hBN « troué » comme support de catalyseurs si vous réduisez un sel de platine, d’or ou d’argent en atomes simples et que vous les placez dans des défauts (trous) sur le nitrure de bore. surface », a déclaré Maurico Terrones, professeur de physique Verne M. Willaman et professeur de chimie et de science des matériaux à Penn State. “C’est quelque chose d’entièrement nouveau, et c’est ce que nous avons démontré ici.”
Démontrer cela était important, car on croyait auparavant qu’un matériau si inerte ne pourrait jamais devenir chimiquement actif.
“La partie la plus difficile de ce projet était de convaincre la communauté des chercheurs qu’un matériau aussi inerte que le hBN peut être activé pour avoir une réactivité chimique et servir de support de catalyseur”, a déclaré Lei. “Au cours du processus d’examen de notre étude, des expériences supplémentaires qui ont été suggérées par les examinateurs ont amélioré le travail et aidé à convaincre la communauté.”
Les expériences impliquaient l’utilisation d’équipements haut de gamme dans le laboratoire de caractérisation des matériaux (MCL), qui fait partie du Materials Research Institute de Penn State. Les calculs informatiques et théoriques ont été effectués au laboratoire du Materials, Processes and Quantum Simulation Center (MUSiC) et à l’Institute for Cyber-Enabled Research de la Michigan State University.
« Donc, nous voulions savoir quel type de défauts nous avions dans le matériau et comment pouvons-nous démontrer que nous avons les défauts et que ce n’est pas autre chose ? » dit Terrones. « Donc, nous avons fait toutes ces diverses caractérisations très détaillées, y compris le rayonnement synchrotron, pour démontrer que ce que nous avions était en fait du platine à un seul atome, et non des amas de platine. »
Au-delà des expériences, l’équipe a également utilisé la modélisation pour prouver son concept.
“Nous avons montré et prouvé par ordinateur et expérimentalement que nous pouvons faire des trous si petits qu’ils ne peuvent contenir qu’un ou deux atomes de métaux précieux à l’époque”, a déclaré Mendoza-Cortes.
Le potentiel d’applications du hBN chimiquement actif est varié, notamment des catalyseurs, un stockage d’énergie et des capteurs plus rentables. De plus, il est possible que leur technique soit utilisée pour activer d’autres matériaux inertes ou utiliser d’autres métaux (précieux).
“Je pense que nous montrons qu’un matériau censé être inerte peut être activé en créant et en contrôlant des défauts sur le matériau”, a déclaré Terrones. « Nous avons démontré que la chimie nécessaire se produit au niveau atomique. Si cela fonctionne pour le nitrure de bore, cela devrait fonctionner pour tout autre matériau.
Référence : « Activation à basse température du nitrure de bore hexagonal inerte pour le dépôt de métaux et la catalyse d’un seul atome » par Yu Lei, Srimanta Pakhira, Kazunori Fujisawa, He Liu, Cynthia Guerrero-Bermea, Tianyi Zhang, Archi Dasgupta, Luis M.Martinez, Srinivasa Rao Singamaneni, Ke Wang, Jeff Shallenberger, Ana Laura Elías, Rodolfo Cruz-Silva, Morinobu Endo, Jose L. Mendoza-Cortes et Mauricio Terrones, 29 octobre 2021, Matériaux aujourd’hui.
DOI : 10.1016/j.mattod.2021.09.017
Avec Lei, Mendoza-Cortes et Terrones, d’autres auteurs de l’étude incluent de l’Institut indien de technologie Indore, premier co-auteur Srimanta Pakhira, professeur agrégé de physique. De Penn State, les auteurs de l’étude comprennent Kazunori Fujisawa, professeur adjoint de recherche en physique; He Liu, assistant de recherche doctoral en chimie au moment de l’étude ; Tianyi Zhang, doctorant en science et ingénierie des matériaux au moment de l’étude ; Archi Dasgupta, assistant de recherche diplômé en chimie au moment de l’étude ; Ke Wang, membre du personnel scientifique de MCL ; Jeff Shallenberger, directeur associé du MCL ; et Ana Laura Elías, professeure de recherche en physique au moment de l’étude. Du Yucatan Scientific Research Center, les auteurs de l’étude incluent Cynthia Guerrero-Bermea, chercheuse postdoctorale. De l’Université du Texas à El Paso, les auteurs de l’étude comprennent Luis M. Martinez, étudiant diplômé en physique, et Srinivasa Rao Singamaneni, professeur adjoint de physique. De l’Université de Shinshu (Japon), les auteurs de l’étude comprennent Rodolfo Cruz-Silva, professeur spécialement nommé à la faculté d’ingénierie, et Morinobu Endo, professeur distingué émérite.
L’étude a été partiellement financée par la National Science Foundation. Ce travail a été soutenu en partie par des ressources informatiques et des services fournis par l’Institute for Cyber-Enabled Research de la Michigan State University.
