科学探索|科学家利用缺陷将惰性材料转化为有用的活性材料科学家利用缺陷将惰性材料转

据一个国际研究小组称，证明了一种被认为总是具有化学惰性的材料--六方氮化硼（hBN）可以变成化学活性，这为一类具有广泛用途的新催化剂提供了潜力。

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hBN是一种分层材料，单层材料可以像另一种二维材料石墨烯那样被剥离。然而，这两者之间有一个关键的区别。
宾夕法尼亚州立大学物理学博士后学者、发表在《今日材料》上的这项研究的第一合著者雷宇（音译）说：“虽然hBN与石墨烯的结构相似，但硼和氮化物原子之间的强极性键使hBN与石墨烯不同，它在高温下具有化学惰性和热稳定性。”
如果hBN具有化学活性而不是惰性，这将使它有更多的用途，包括成为类似于石墨烯的有用的、具有成本效益的催化剂支持。这将有助于实际应用，如在汽油动力汽车中或将碳转化为其他产品，以帮助减少温室气体。
“你的汽油车里的催化器里有贵金属铂，用来处理有害气体转化为较少的有害气体，”密歇根州立大学化学工程和材料科学副教授Jose Mendoza-Cortes说。“然而，这很昂贵，因为你需要投入大量的铂原子进行催化。现在想象一下，你只需要放一个或两个，仍然可以得到同样的性能。”
【科学探索|科学家利用缺陷将惰性材料转化为有用的活性材料】铂也被用作许多其他类型的实际化学反应的催化剂，而进行转换的铂原子通常在表面，而下面的铂原子只是作为结构支持存在。
Mendoza-Cortes说：“在这项研究中，我们使用了有缺陷的hBN作为结构支撑，这比较便宜，同时暴露出大部分的铂原子用于执行化学反应。”

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hBN中的缺陷是该材料化学活性的关键。研究人员通过一个叫做低温研磨的过程在材料中制造了缺陷，即小孔，这涉及到过冷的材料，然后通过低温研磨将其还原。这些孔是如此之小，以至于它们一次只能容纳一个或两个贵金属原子。通过混合金属盐，小到一两个原子的纳米结构可以沉积到hBN基材上，这是由于充满孔的hBN的反应性。
“由于氮化硼不会与任何东西发生反应，那么如果你将铂、金或银盐还原成单原子并将其置于氮化硼表面的缺陷（孔）中，你就可以用这种 ‘孔状’的hBN作为催化剂的支撑物，”宾夕法尼亚州立大学Verne M. Willaman物理学教授以及化学和材料科学教授Maurico Terrones说。“这是一种全新的东西，这就是我们在这里展示的东西。”
证明这一点意义重大，因为以前人们认为，一种如此惰性的材料永远不可能变得有化学活性。“这个项目最困难的部分是说服研究界，像hBN这样惰性的材料可以被激活而具有化学反应性，并作为催化剂的支持，”研究人员说。“在审查我们的研究过程中，审查员建议的额外实验改进了工作，并帮助说服了社会。”
实验涉及使用材料表征实验室（MCL）的高端设备，该实验室是宾夕法尼亚州立大学材料研究所的一部分。计算和理论计算是在密歇根州立大学的材料、工艺和量子模拟中心（MUSiC）实验室和网络化研究所完成的。
“所以，我们想知道我们在材料中存在什么类型的缺陷，以及我们如何证明我们有缺陷，而不是其他东西？” Terrones说。“因此，我们做了所有这些不同的非常详细的表征，包括同步辐射，以证明我们所拥有的实际上是单原子铂，而不是铂簇。”
除了实验，该团队还使用建模来证明他们的概念。Mendoza-Cortes说：“我们通过计算和实验证明，我们可以使孔变得如此之小，以至于它们当时只能容纳1或2个原子的贵金属。”