科学家利用缺陷将惰性材料转化为有用的活性材料

发表于 3年以前 | 总阅读数：833 次

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。”

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。”