«Горячие» трансформации графена и углеродных нанотрубок

Графен - перспективный материал высоких технологий 21 века (Нобелевская премия, 2010 г.) — целенаправленно трансформируется под действием молекулярной «горячей резки». Проведенное исследование выявило уникальные процессы на поверхности графенового слоя углерода под действием нагретых микроволновым излучением наночастиц металлов. Полученные результаты дают возможность разработать высокоэффективные катализаторы для химической промышленности и фармацевтики. Авторы описали принципиально важную роль углеродного носителя в процессах получения наноструктурированных катализаторов.

В результате исследования, проведенного в лаборатории член-корр. РАН В.П.Ананикова в Институте органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН, было обнаружено и систематизировано многообразие процессов, протекающих на поверхности углеродных материалов, покрытых наночастицами металлов. В частности, нагретые под действием микроволнового излучения наночастицы металлов приводят к активному структурированию поверхности углерода: происходит образование каналов, как на поверхности, так и внутри объема углеродной подложки, активный рост нанотрубок различного размера.

Результаты исследования российских ученых, опубликованные в ноябрьском номере американского журнала ACS Catalysis, позволяют значительно лучше понять наноструктуру поверхности таких многокомпонентных каталитических систем, разработать новые более экономичные способы получения углеродных нанотрубок, а проведенные в этой же работе теоретические исследования объясняют возможность образования углеродных нанотрубок в результате конденсации циклопарафениленовых колец. Знание закономерностей структурирования поверхности в процессе получения катализатора позволяет более осмысленно и целенаправленно регулировать его каталитическую активность, что приведет к получению новых активных катализаторов.

Рисунок 1. Разогретые до высокой температуры наночастицы металлов инициируют «разрезание» графенового слоя (etching of graphene), циклизацию угелродных нанолент (nanoribbons cyclization), образование циклопарафениленовых колец (cycloparaphenylenes formation) и рост углеродных нанотрубок (nanotube growth).

Углеродные нанотрубки представляют собой наноразмерные трубчатые структуры, стенки которых состоят из атомов углерода, организованных в виде соединенных между собой шестичленных циклов. Получение углеродных нанотрубок, систематическое изучение которых началось в начале девяностых годов, ознаменовало собой начало эры нанотехнологий. Углеродные нанотрубки можно отнести к аллотропным модификациям углерода наряду с графитом и алмазом, однако, в отличие от последних, нанотрубки не встречаются в природе и являются искусственными структурами. Нанотрубку можно представить как лист графена (плоский лист толщиной в один атом, состоящий из атомов углерода), свернутый в цилиндр и склеенный своими краями. Углеродные нанотрубки имеют широкий спектр как потенциальных, так и уже реализованных применений: они могут использоваться как наполнители композиционных материалов, сенсоры газов и различных активных молекул, компоненты наноэлектронных устройств и аккумуляторов энергии.

Одним из наиболее перспективных методов получения углеродных нанотрубок является метод химического осаждения из газовой фазы (CVD). Однако метод CVD имеет ряд существенных недостатков: высокая энергоемкость, использование в качестве исходного сырья углеводородов, что приводит к небезопасности такой технологии.

Перспективным материалом для получения нанотрубок является графит, состоящий из уложенных друг на друга листов графена. Использование графита в качестве исходного материала для получения нанотрубок, возможно, приведет к более безопасной и экономичной технологии промышленного получения таких структур. Как же заставить плоские листы графита свернуться в нанотрубки? Будет ли такой процесс возможен в соответствии с законами термодинамики?

Авторы работы выдвинули гипотезу, согласно которой на первых стадиях процесса лист графена разрезается на полоски, шириной в одно ароматическое кольцо. Затем каждая такая полоска сворачивается в цикл, соединяясь концами. В органической химии структуры с таким строением в своей основе – циклопарафенилены – известны и получены экспериментально. После этого циклопарафениленовые кольца, которые можно рассматривать как сегменты будущей нанотрубки, соединяются вместе, формируя стенку трубки, которая одним своим концом прикреплена к краям отверстия в листе графена, образованного раскаленной наночастицей металла. Все стадии такого процесса были смоделированы методами квантовой химии с использованием полуэмпирических (PM6) методов и методов теории функционала плотности (B3LYP, oB97XD, M06, M06L) на примере образования нанотрубки типа (6,6).

Рисунок 2. Схема образования нанотрубки типа (6,6) из плоского листа графена. Реакции (1), (2) и (3) соответствуют исходным листам графена с различным количеством атомов водорода по краям.

В результате моделирования было установлено, что энергия такого процесса очень сильно зависит от состояния краев исходного графенового листа. В случае, если каждый атом углерода на краях листа соединен с одним атомом водорода (реакция 1, рис. 2), реакция образования нанотрубки сопровождается выделением 20 молекул водорода и энергетически невыгодна, так как приводит к увеличению энергии в 2.5 ккал/моль на один атом углерода. Реакция с частично гидрированным краем листа графена (2) энергетически осуществима и сопровождается уменьшением энергии на 1.5 ккал/моль на один атом углерода. Наиболее энергетически выгодным процессом является образование трубки из полностью дегидрированного листа графена (реакция 3), которая сопровождается уменьшением энергии реагирующей системы на 4.6 ккал/моль на один атом углерода. Таким образом, трансформация графена в нанотрубку вполне вероятна.

Как же осуществить такое преобразование углеродной плоскости в трубку на практике? Начало этому может положить экспериментальная методика, отработанная авторами статьи, и основанная на использовании микроволнового излучения. Микроволновые технологии постепенно входят в повседневный инструментарий химиков в последнее время. Как и в методе CVD, и здесь ключевую роль играют наночастицы металла. Если покрыть поверхность графита наночастицами металла (например, никеля или железа), и затем этот материал подвергнуть действию микроволнового излучения в инертной атмосфере, то происходит активный рост нанотрубок, катализируемый этими металлическими частицами. Причем частицы металла остаются связанными с растущим концом нанотрубки. Кроме этого некоторые расплавленные частицы металла перемещаются по поверхности графита, формируя наноканалы и разрезая листы графена на полоски и чешуйки различного размера. Эти явления открывают путь к получению наноструктурированных катализаторов, в которых наночастицы металлов не просто нанесены на поверхность графита, а включены в состав нанотрубок, и дают возможность разработать методы структурирования поверхности графита в наномасштабе, использующие раскаленные наночастицы металлов в качестве «выжигателей».

По мнению Нобелевского лауреата по химии Роальда Хоффмана, посетившему недавно ИОХ РАН, область каталитической химии, возникшая в последнее время на стыке металлокомплексного катализа и нанотехнологий, представляет собой огромный интерес, как в прикладном значении, так и в фундаментальных вопросах химии каталитических процессов. Особым вниманием профессор Хоффман отметил каталитические системы, сочетающие в себе наночастицы металлов и углеродных нанотрубок, в которых «вызывает удивление возможность свободного перемещения кластера металла внутри нанотрубки». Такие динамические эффекты дают возможность проводить каталитическую реакцию не на поверхности, а внутри нанотрубки, которая будет служить миниатюрным реактором с регулируемой каталитической активностью.

Статья «Noninnocent Nature of Carbon Support in Metal/Carbon Catalysts: Etching/Pitting vs Nanotube Growth under Microwave Irradiation» Evgeniy O. Pentsak, Evgeniy G. Gordeev, Valentine P. Ananikov опубликована в журнале ACS Catalysis американского химического общества. Библиографическая ссылка: ACS Catalysis, 2014, Vol. 4, pp. 3806−3814; DOI: 10.1021/cs500934g. Он-лайн ссылка: http://dx.doi.org/10.1021/cs500934g