Wodór i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne
Zespół projektu HPAH (Hydrogen interaction with polycyclic aromatic hydrocarbons – from interstellar catalysis to hydrogen storage) zademonstrował i badał działanie katalityczne wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w wytwarzaniu wodoru molekularnego w warunkach międzygwiazdowych. W ramach tego procesu zespół opracował metodę tworzenia otworu w paśmie wzbronionym grafenu poprzez funkcjonalizację wodoru. Połączono techniki z dziedziny nauk o powierzchni z obliczeniami teoretycznymi w celu poznania, na poziomie atomu, interakcji pomiędzy wodorem atomowym i cząsteczkami PAH. Dzięki zastosowaniu spektroskopii desorpcji termicznej zespół projektu był w stanie monitorować proces dodawania atomów H do cząsteczki PAH, w wyniku którego powstają superuwodornione gatunki cząsteczek PAH. Przeprowadzone doświadczenia wykazały, że długotrwałe wystawienie koronenu, cząsteczki PAH, na działanie wiązki wodoru atomowego prowadzi do zaskakująco wysokiego poziomu uwodornienia, zbliżonego do teoretycznej górnej granicy jednego dodatkowego atomu H na atom węgla. Powstawanie cząsteczek PAH o tak wysokim stopniu superuwodornienia ma istotne znaczenie dla wytwarzania międzygwiazdowego wodoru molekularnego. Obliczenia pokazują, że skuteczne wytwarzanie gazowego wodoru powinno polegać na połączeniu reakcji superuwodornienia i usuwania z wykorzystaniem obojętnych cząsteczek PAH i ich superuwodornionych postaci. Zastosowanie izotopu deuteru wodoru umożliwiło monitorowanie wymiany pomiędzy początkowymi atomami H w cząsteczce PAH i przychodzącymi atomami D z wiązki atomowej. Pomiary wykazują dowody na istnienie takich reakcji wymiany. Zaobserwowanie reakcji wymiany H-D zapewnia pierwsze pośrednie dowody katalitycznego działania cząsteczek PAH w wytwarzaniu wodoru molekularnego. Podczas doświadczeń z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii tunelowej uzyskano obrazy superuwodornionych gatunków w rozdzielczości submolekularnej, co umożliwiło przypisanie konkretnych miejsc reakcji wodoru w cząsteczce PAH. Dane pokazują, że atomy wodoru reagują w różnych miejscach w cząsteczce. Zespół projektu wykorzystał grafen jako układ modelowy do badania interakcji H z bardzo dużymi wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi. Badania te wykazały, że podłoże grafenu ma bardzo duży wpływ na proces uwodorniania. Pomiary wykonane przy wykorzystaniu spektroskopii fotoemisyjnej w ultrafiolecie wykazały, że nanowzorce wodoru otwierają pasmo wzbronione grafenu o rozmiarze co najmniej 450 meV. Wynikiem prowadzonych badań było zatem opracowanie jak dotąd jedynej metody otwierania pasma wzbronionego wielkopowierzchniowego jednowarstwowego grafenu, które jest wystarczająco duże do zastosowań praktycznych.
Słowa kluczowe
Wodór, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, HPAH, międzygwiazdowy, kataliza, grafen
