A h-BN nanoháló alkalmazása molekulaadszorpciós és fémkatalizált folyamatokban
Authors: Szitás Ádám 
Published: August 2022

A huszadik század második felében jelentősen átalakult a vegyipar területén uralkodó általános szemléletmód. A termékek nagy mennyiségben történő előállításán túl előtérbe került a szelektivitás fontossága, a melléktermékek számára és azok mennyiségére vonatkozó tervezhetőség iránti igény, illetve fokozott figyelmet kapott az adott technológia környezetre gyakorolt hatása is. Ennek eredményeként megszületett az elvárás a különböző vegyipari folyamatok alapos megismerésére annak érdekében, hogy a lehető legnagyobb mértékben szabályozhatóvá és tervezhetővé váljanak a vegyipari eljárások. A vizsgálati módszertan egyik iránya az un. bottom-up technika, ahol ultravákuum körülmények között, tiszta egykristályokra alapozva összetettebb, több komponenst tartalmazó rendszereket építünk fel. A bottom-up módszer előnye, hogy a vizsgált rendszerben lejátszódó folyamatokat könnyebb megérteni elemi szinten, és az így szerzett tapasztalatokra, eredményekre alapozva többkomponensű, bonyolult gyakorlati rendszerek, pl. gépjárművekben használt vagy ipari katalizátorok tervezése is gördülékenyebbé, egyszerűbbé válhat. A kutatók, annak érdekében, hogy a fenti elvárásoknak eleget tegyenek, egyre korszerűbb, egyre különlegesebb anyagok vizsgálatára is kiemelt erőfeszítéseket fordítanak. Erre azért is szükség van, mert sokszor igen összetett és speciális rendszerek alkalmazása indokolt, melyek egyedi fizikai-kémiai tulajdonságokkal bírnak, illetve többféle igénynek igyekeznek megfelelni egy időben. Egy ilyen speciális rendszer a kétdimenziós anyagok családja. A 2D anyagok a grafén (egy atomi rétegvastagságú grafit) felfedezését követően kerültek a kutatók érdeklődésének homlokterébe. A grafén bór-nitrid analógja, a hexagonális-bór-nitrid (h-BN) alternáló bór és nitrogén atomokat tartalmaz, valamint több kedvező fizikai és kémiai tulajdonságon osztozik a grafénnel. Doktori munkám során az MTA-SZTE Reakciókinetikai és Felületkémiai kutatócsoport munkájába kapcsolódtam be, ahol a h-BN adszorpciós tulajdonságával foglalkoztam; egyfelől az etanol és az acetaldehid fémkatalizált folyamatait vizsgáltuk, másfelől molekulaadszorpciós templátként való alkalmazását tanulmányoztuk ezen a felületen. Az előállított h-BN réteg hordozója, az általunk alkalmazott szubsztrát egy (111) Miller-indexű ródium egykristály (Rh(111)) volt. Kisméretű szerves molekulák, mint pl. etanol és acetaldehid, katalitikus reakcióit tanulmányoztuk tiszta és különféle módosított ródium egykristály felületén. Ebben az esetben a h-BN monorétegnek azt a tulajdonságát használjuk ki, hogy a (111) Miller-indexű egykristályokon szintetizálva, szabályos szerkezet jön létre (élek-pórusok), az így kialakuló struktúrára periodikus korrugáltság jellemző. Az így keletkező pórusok átmérője (~2 nm) egybeesik azzal a mérettartománnyal, amelyben az arany katalitikusan aktív. Célunk megismerni és részletesen leírni a lehetséges reakcióutakat a tiszta Rh(111) és módosított egykristályfelületeken, a fenti molekulákra vonatkozóan. Az általunk alkalmazott módosítások során egy atomi réteg vastagságú h-BN nanohálót hoztunk létre a Rh egykristály felületén, amelyen Au nanorészecskéket állítottunk elő. Vizsgáltuk továbbá nagyobb méretű molekulák, pl. ciklohexén, benzol, azobenzol, adszorpciós tulajdonságait is. Ebben az esetben a h-BN monorétegnek azt a tulajdonságát használtuk ki, hogy a szabályos, rendezett nanoháló struktúra a Rh(111) egykristály felületén jellemzően inert, illetve inertnek vélt. Ez alapján az elektromos vezető hordozó (Rh egykristály) és a vizsgálni kívánt molekula közötti kölcsönhatás feltehetően minimálisra csökken – tulajdonképp egyfajta izoláló szerepet tölt be a nanoháló, melynek köszönhetően a fém egykristályon történő vizsgálatokhoz képest jóval inertebb környezetben vizsgálhatjuk a molekulák adszorpciós tulajdonságait vagy további alkalmazások felé végezhetünk méréseket pl. molekulakapcsolási reakciók vagy heterogén nanostruktúrák (heterostruktúrák) kialakítása. Célkitűzéseink között szerepelt h-BN/szén alapú heterostruktúra létrehozása Rh(111) felületen: mind az ép h-BN felületén, annak bontása nélkül, szerettük volna kialakítani a szén (pl. grafén) réteget (grafén/h-BN/Rh(111)), mind 2D laterális struktúrában, ahol a szén beépül a h-BN nanoháló szerkezetébe (grafén-h-BN/Rh(111)).