Nowy, przełomowy materiał
Alotropowe odmiany węgla sp2 i sp3 są dobrze poznane jako odpowiednio grafit i diamenty, ale w nauce o węglu nadal pozostaje wiele niewiadomych. „Alotropy węgla z hybrydyzacją sp3 są brakującym elementem węglowej układanki” — twierdzi Carlo Casari(odnośnik otworzy się w nowym oknie), fizyk z Wydziału Energii Poltiechniki Mediolańskiej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (Polimi). Alotropy węgla to różne formy strukturalne pierwiastkowego węgla, przy czym te z hybrydyzacją sp mają liniowe lub wieloatomowe struktury łańcuchowe, w których atomy węgla są połączone naprzemiennymi wiązaniami potrójnymi i pojedynczymi. Zdaniem Casariego, ostatnie przełomowe odkrycia zasadniczo zmieniły sposób, w jaki nauka rozumie te trudne do uchwycenia struktury. „Naukowcy nie tylko odkryli naturalnie występujące układy węgla sp, ale także z powodzeniem zaprojektowali nowe struktury, które wypełniają krytyczną lukę w nanomateriałach węglowych” — wyjaśnia. Jednym z takich przełomów jest amorficzny grafen (AGY), nowy materiał węglowy na bazie sp, opracowany w ramach finansowanego ze środków UE projektu SCCAMC(odnośnik otworzy się w nowym oknie)
Hybrydowa membrana węglowa zwana grafenem amorficznym
Aby osiągnąć AGY, projekt wspierany przez działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) rozpoczął się od stabilizacji sp-hybrydyzowanego węgla oraz zbadania jego syntezy i zastosowań funkcjonalnych. Yifan Zhang, stypendysta projektu MSCA, opracował następnie chemiczne i fizyczne metody wydajnego wytwarzania węglowych drutów atomowych zwanych poliinami. „Sp-hybrydyzowany węgiel w postaci łańcuchów lub drutów reprezentuje ostateczne jednowymiarowe nanostruktury węglowe o wyjątkowych przewidywanych właściwościach” — zauważa Casari, główny badacz projektu. Aby zsyntetyzować poliiny, naukowcy opracowali zmodyfikowany proces impulsowego wyładowania łukowego zdolny do recyklingu rozpuszczalnika, co zmniejszyło zużycie zasobów chemicznych nawet o 80%. „Co najważniejsze, zastosowaliśmy technikę syntezy międzyfazowej ciecz-ciecz w temperaturze pokojowej, która przekształca te poliiny w stabilne, amorficzne hybrydowe membrany węglowe sp2-sp o wielkości wafla, które nazwaliśmy amorficznym grafenem” — zauważa Zhang. Projekt wykazał również, że poddany obróbce termicznej materiał AGY ma właściwości elektrokatalityczne i wykazuje aktywność w reakcji redukcji tlenu (ORR) jako katalizator niezawierający metalu. ORR to reakcja chemiczna, w której tlen zyskuje elektrony i ulega redukcji, zazwyczaj do wody lub nadtlenku wodoru. Jest to proces kluczowy w systemach konwersji energii, takich jak ogniwa paliwowe.
Niezawierający metali katalizator do zrównoważonych rozwiązań energetycznych
Demonstrując potencjał AGY jako niezawierającego metali katalizatora ORR, projekt SCCAMC przyczynił się do rozwoju zrównoważonych rozwiązań energetycznych. Otworzył w ten sposób również drogę do ogniw paliwowych niezawierających metali szlachetnych. „Podobnie jak grafen zrewolucjonizował materiałoznawstwo i nanotechnologię, mamy nadzieję, że nasz innowacyjny, syntetyzowany w temperaturze pokojowej materiał trafi do laboratoriów i zastosowań na całym świecie, ostatecznie rewolucjonizując elastyczną elektronikę, zaawansowane czujniki i ekologiczne katalizatory” — podsumowuje Zhang.
