Idrogeno e idrocarburi policiclici aromatici
Il progetto HPAH (Hydrogen interaction with polycyclic aromatic hydrocarbons – from interstellar catalysis to hydrogen storage) ha dimostrato e studiato l’attività catalitica degli IPA in quanto a formazione di idrogeno molecolare in condizioni interstellari. Nel processo, il team ha sviluppato un metodo per progettare un’apertura della banda proibita nel grafene mediante la funzionalizzazione di idrogeno. Le tecniche relative alla scienza delle superfici sono state combinate con i calcoli teorici per raggiungere una comprensione a livello atomico dell’interazione tra molecole IPA e idrogeno atomico. La spettroscopia di desorbimento termico ha permesso al team del progetto di monitorare il modo in cui gli atomi di idrogeno si aggiungono alle molecole IPA, formando specie IPA superidrogenate. Alcuni esperimenti hanno dimostrato che una lunga esposizione del coronene relativo alla molecola di IPA a un fascio di idrogeno atomico produce livelli sorprendentemente alti di idrogenazione, avvicinando il limite superiore teorico a un atomo di idrogeno supplementare per ogni atomo di carbonio. La formazione di IPA con tali livelli di superidrogenazione ha implicazioni importanti per la formazione dell’idrogeno molecolare a livello interstellare. In sostanza i calcoli dimostrano che l’efficiente formazione di gas idrogeno dovrebbe avere luogo da una combinazione di superidrogenazione e reazioni di astrazione che coinvolgono IPA neutri e le relative forme superidrogenate. Utilizzando l’isotopo deuterio dell’idrogeno è stato possibile monitorare lo scambio tra gli atomi di idrogeno iniziali sulla molecola IPA e gli atomi di deuterio in arrivo alla molecola IPA dal fascio atomico. Le misure sono la prova di tali reazioni di scambio. L’osservazione delle reazioni di scambio idrogeno-deuterio fornisce la prima prova indiretta dell’attività catalitica delle molecole IPA nella formazione di idrogeno molecolare. Gli esperimenti di microscopia a scansione a effetto di tunnel hanno fornito immagini di specie superidrogenate con risoluzione sub-molecolare, consentendo l’assegnazione dei siti di reazione dell’idrogeno specifici sulla molecola IPA. I dati dimostrano che gli atomi di idrogeno reagiscono su diversi siti a livello molecolare. Il progetto ha utilizzato il grafene come sistema modello per lo studio relativo all’interazione dell’idrogeno con sistemi policiclici aromatici molto grandi. Tali studi hanno rivelato che il substrato di supporto del grafene influenza notevolmente il processo di idrogenazione. Le misure di spettroscopia a fotoemissione ultravioletta hanno dimostrato che mediante i nanopattern di idrogeno nel grafene viene dato accesso a una banda proibita di 450 MeV. Quindi, tali studi hanno portato all’unico metodo finora ottenuto per l’apertura della banda proibita del grafene con ampio monostrato, sufficiente per applicazioni pratiche.
Parole chiave
Idrogeno, idrocarburi policiclici aromatici, HPAH, interstellare, catalisi, grafene
