Рисовая лаборатория ученого-материаловеда Джун Лу и его коллеги из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали методику зондирования через крошечные «окна», созданные электронным лучом, и измерения каталитической активности дисульфида молибдена, двумерного материала, перспективного для приложения, которые используют электрокатализ для извлечения водорода из воды.
Первоначальные испытания двух вариантов материала показали, что большая часть продукции производится с кромок тонких листов.
В этом месяце исследователи сообщили о своих результатах в Advanced Materials.
По словам Лу, исследователи уже знали, что края двухмерных материалов – это то место, где происходит каталитическое действие, поэтому любая информация, которая помогает максимизировать его, ценна.
«Мы используем эту новую технологию для определения активных сайтов, которые давно предсказывались теорией», – сказал он. "Было некоторое косвенное доказательство того, что краевые участки всегда более активны, чем базальные плоскости, но теперь у нас есть прямое доказательство."
Микрочипы с зондами, разработанные в Лос-Аламосе, и метод, созданный Лу и ведущим автором Цзин Чжан, докторантом Райс, открывают путь к быстрому отбору потенциальных кандидатов в реакции выделения водорода среди двумерных материалов.
«Большая часть материала находится на поверхности, и вы хотите, чтобы это был активный катализатор, а не только край», – сказал Лу. "Если реакция происходит только на краю, вы теряете преимущество того, что вся площадь поверхности обеспечивается двухмерной геометрией."
Лаборатория проверила чешуйки дисульфида молибдена с различными кристаллическими структурами, известными как «1T первичный» (или искаженный октаэдрический) и 2H (тригонально-призматический). «По сути, это один и тот же материал с одинаковым химическим составом, но положение их атомов разное», – сказал Лу. "1T прайм – металл, а 2H – полупроводник."
Он сказал, что до сих пор исследователи экспериментально доказали, что более проводящий прайм 1T был каталитическим по всей площади его поверхности, но исследование Райса показало, что это не совсем точно. "Наши результаты показали, что край 1T всегда более активен, чем базисная плоскость.
Это было новое открытие ", – сказал он.
После изготовления хлопьев путем химического осаждения из паровой фазы Чжан использовал метод электронно-лучевого испарения для нанесения электродов на отдельные хлопья. Затем он добавил изолирующий слой из полиметилметакрилата, прозрачного термопласта, и выжег узор «окон» в инертном материале с помощью литографии с электронным пучком.
Это позволило исследователям исследовать как края, так и базисные плоскости двухмерного материала или только определенные края с субмикронным разрешением.
16 зондов на кристалле дюйм-квадрат, построенном в Лос-Аламосе, передают энергию хлопьям через окна. Когда образуется водород, он улетучивается в виде газа, но крадет электрон у материала. Это создает ток, который можно измерить через электроды.
К зондам можно обращаться по отдельности или ко всем сразу, что позволяет исследователям получать данные для нескольких участков на одной или нескольких чешуйках.
Экспресс-тестирование поможет исследователям более эффективно изменять свои микроскопические материалы, чтобы максимизировать каталитическую активность базальных плоскостей. «Теперь есть стимул использовать прочность этого материала – его площадь поверхности – в качестве катализатора», – сказал Лу. "Это будет очень хороший метод скрининга для ускорения разработки двухмерных материалов."