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Jul 19, 2023

Figura di merito colossale e avvincente la SUA attività catalitica della grafne bucata

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9123 (2023) Citare questo articolo

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Qui, abbiamo condotto uno studio completo per scoprire le proprietà di trasporto termico e l'attività catalitica della reazione di evoluzione dell'idrogeno della grafne bucata recentemente sintetizzata. I nostri risultati rivelano che la grafne bucata ha un bandgap diretto di 1,00 eV utilizzando il funzionale di correlazione di scambio HSE06. L'assenza di frequenze fononiche immaginarie nella dispersione fononica ne garantisce la stabilità dinamica. L'energia di formazione della grafene bucata risulta essere − 8,46 eV/atomo, paragonabile al grafene (− 9,22 eV/atomo) e h-BN (− 8,80 eV/atomo). A 300 K, il coefficiente di Seebeck arriva fino a 700 μV/K con una concentrazione di portatori di 1 × 1010 cm-2. La conduttività termica reticolare prevista a temperatura ambiente (κl) di 29,3 W/mK è sostanzialmente inferiore a quella del grafene (3000 W/mK) e quattro volte più piccola di C3N (128 W/mK). A circa 335 nm di spessore, la temperatura ambiente κl si riduce del 25%. La cifra di merito di tipo p (ZT) calcolata raggiunge un massimo di 1,50 a 300 K, superiore a quella del grafene bucato (ZT = 1,13), del γ-grafene (ZT = 0,48) e del grafene incontaminato (ZT = 0,55 × 10 –3). Si scala ulteriormente fino a 3,36 a 600 K. Tali colossali valori ZT rendono la grafne bucata un attraente materiale termoelettrico di tipo p. Oltre a ciò, la grafne bucata è un potenziale catalizzatore HER con un basso sovrapotenziale di 0,20 eV, che si riduce ulteriormente a 0,03 eV con una deformazione di compressione del 2%.

La rapida crescita della popolazione e lo sviluppo delle infrastrutture sono alla base della crescente domanda di energia, che aumenterà ulteriormente da 23 Terawatt nel 2030 a 30 Terawatt nel 20501. Secondo le statistiche della Global Renewable Energy Community (REN21), quasi l’80% dell’energia totale dipende da fonti convenzionali le risorse energetiche e le fonti energetiche rinnovabili aggiungono solo il restante 20%2. Un’eccessiva dipendenza dai combustibili fossili causa il riscaldamento globale e problemi ambientali distruttivi3. C’è stata una spinta a livello mondiale per trovare alternative sostenibili e pulite ai combustibili fossili per contrastare tali problemi4. Tra le fonti energetiche rinnovabili naturali, l’idrogeno è una fonte energetica sostenibile ideale grazie alla sua elevata densità energetica e al rispetto dell’ambiente5. Tuttavia, per la produzione di idrogeno6 sono stati utilizzati catalizzatori a base di metalli preziosi e meno abbondanti, il che ne impedisce un utilizzo diffuso7. Pertanto, l'esplorazione di catalizzatori nuovi e privi di metalli è una strada praticabile per la produzione di massa di idrogeno8,9. I generatori termoelettrici sono anche ottime alternative per le risorse energetiche pulite e rinnovabili, considerando l'abbondanza di calore di scarto accompagnato da una manutenzione poco frequente e una lunga durata del dispositivo, poiché nella tecnologia non sono coinvolte parti mobili10,11. Sebbene il Bi2Te3 sia stato ampiamente utilizzato nei generatori termoelettrici, la tossicità e la scarsità del tellurio ne limitano l’utilizzo12. Inoltre, la conduzione bipolare sopprime la cifra di merito di Bi2Te3 sopra 450 K a causa della sua stretta banda proibita12. Quindi materiali abbondanti e non tossici con un ragionevole intervallo di banda sarebbero una scelta ottimale.

Dalla realizzazione sperimentale del grafene13, un'enorme attenzione è stata dedicata ad altri allotropi del carbonio bidimensionali (2D) a causa delle loro peculiari proprietà fisiche14, stati topologici15, coni di Dirac privi di massa16,17 e comportamento semiconduttore18,19. Il grafene bucato azotato poroso20, la polianilina21, il fagrafene22, il nafine23, il graphtetrayne24 e il bifenilene25 sono alcuni esempi di allotropi di carbonio 2D sintetizzati sperimentalmente.

Tra questi, la grafene, con diversi atomi di carbonio ibridati sp e sp2, costituisce una delle più grandi famiglie di allotropi del grafene26. Possiedono eccezionale flessibilità, elevata mobilità dei portatori, una struttura a bande elettroniche caratterizzata da un cono di Dirac, efficiente adsorbimento di ioni e selettività molecolare grazie a strutture porose e ridotta conduttività termica dovuta a legami acetilenici con stato sp27,28,29,30,31,32 . Recentemente, la tecnica bottom-up è stata impiegata per sintetizzare un allotropo di carbonio 2D ultrasottile chiamato holey graphyne33. Il nanofoglio mostra un'eccellente stabilità meccanica, termica e dinamica. A differenza del grafene, è un semiconduttore con bandgap diretto con elevata mobilità dei portatori (promettente per applicazioni in optoelettronica) e possiede atomi di carbonio ibridati sp e sp2 che distribuiscono uniformemente le architetture porose (favorevoli per la separazione del gas, la desalinizzazione dell'acqua, lo stoccaggio di energia e la catalisi)34. La grafene bucata può anche essere considerata un materiale di ancoraggio nelle batterie metallo-zolfo, come altri materiali con strutture cristalline simili precedentemente studiati per questo scopo35,36. Tuttavia, per quanto ne sappiamo, nessuna di queste applicazioni della grafia bucata è stata scoperta finora. Qui, abbiamo condotto uno studio completo per esplorare il suo potenziale nella termoelettricità e nella produzione di H2. Grazie alla presenza di un legame unico e distinto, si prevede che κl sia inferiore nella grafene bucata rispetto agli altri materiali 2D piatti della famiglia del grafene, risultando in una figura di merito termoelettrica migliorata. D'altra parte, la variazione nella densità di carica del legame accompagnata da un piano altamente poroso, che aumenta il numero di siti reattivi, lo rende una scelta eccellente per la catalisi.