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Sara Fiori

Gas tossici rilevati ed intrappolati da una rete di carbonio: una nuova generazione di dispositivi?

Corso di Dottorato in Nanotecnologie

Una delle maggiori sfide della nostra epoca è quella di riuscire a dipingere il nostro mondo con più colore verde. L’uso delle energie rinnovabili e l’impatto umano sull’ambiente saranno temi centrali della ricerca scientifica e tecnologica nei prossimi anni. Una tale sfida richiede l’uso di materiali di nuova generazione tra i quali emergono i cosiddetti materiali bi-dimensionali (2D). Il mondo 2D ha spalancato le porte ad una nuova prospettiva, potenzialmente dirompente nel campo delle nanotecnologie, settore scientifico che coinvolge scienza, ingegneria e tecnologia nello studio di materiali di dimensione nanometrica (come gli atomi). Un nanometro è un miliardesimo di metro e su tali scale, alcuni materiali mostrano insoliti comportamenti che hanno attratto la curiosità degli scienziati. Tra i materiali 2D spicca il grafene (Gr), isolato per la prima volta nel 2004 dalla grafite (materiale di cui è fatta l’anima delle matite). Nel Gr, gli atomi di carbonio (C) formano una maglia a nido d’ape e sono uniti da forti legami chimici covalenti. E’ questa speciale struttura a conferire al Gr le sue straordinarie proprietà, che possono essere adattate in maniera controllata per ampliare i suoi campi applicativi. Un modo per modificarne le proprietà è quello di sostituire alcuni dei suoi atomi di C con altri di diversa natura come, per esempio, l’azoto (N). Questa procedura di “drogaggio” è in grado di “personalizzare” le proprietà del Gr, rendendolo per esempio sensibile a specifici gas oppure favorendo determinate reazioni catalitiche di interesse scientifico, come la reazione di ossidoriduzione. Tuttavia, ottenere Gr drogato (N-Gr) di alta qualità può essere difficile. Per cercare di affrontare il problema, abbiamo messo a punto un nuovo protocollo semplice e riproducibile per produrre N-Gr su un substrato di nickel (Ni) attraverso la deposizione chimica da vapore. Tale metodo sfrutta l’attività catalitica di un substrato metallico, nel nostro caso il Ni, il quale, esposto ad idrocarburi, “rompe” tali molecole in atomi di C e ne consente il riarrangiamento in superficie a formare la tipica struttura del Gr. Abbiamo combinato tale tecnica con la possibilità di “incorporare” (nel cristallo di Ni) e “far emergere” (sulla superficie del Ni) atomi di N in specifiche condizioni che abbiamo determinato. Durante la crescita del Gr, l’azoto, emergendo in superficie dal cristallo di Ni, rimane intrappolato nella rete di C, creando dei centri di drogaggio (Fig.1).

Figura 1: Sketch del (a) processo di doping con N del Ni (b) successiva esposizione ad idrocarburi (c) formazione del N-Gr.

L’N-Gr ottenuto è stato studiato con tecniche sperimentali come la microscopia a scansione tunnel (STM) e la spettroscopia di fotoemissione a raggi X (XPS). Abbiamo individuato due configurazioni di N nella maglia di Gr (Fig.2a), formate da un numero variabile di atomi di N: (i) grafitico, 1N; (ii) piridinico, 3N. Con l’STM, un microscopio che permette di “vedere” i singoli atomi che formano una superficie, abbiamo osservato “direttamente” l’N-Gr, la cui superficie è apparsa piatta e costellata da tanti centri (Fig.2b), non presenti nel Gr non drogato, che siamo riusciti a ricondurre agli atomi di N delle due specie chimiche (i) e (ii) (Fig.2). Il Gr non drogato e N-Gr sono stati poi esposti a monossido di carbonio (CO), gas potenzialmente letale, ad una pressione prossima a quella ambientale, per studiarne l’effetto. Comparando i risultati sperimentali nei due casi, abbiamo osservato che in entrambi i sistemi si ottiene un intrappolamento del CO tra Gr e substrato, dove viene stabilmente immagazzinato a temperatura ambiente e rilasciato in seguito a riscaldamento attorno a 80°C. Inoltre, l’intrappolamento del CO è facilitato nel caso del N-Gr, che risulta più sensibile ed efficiente a tale scopo rispetto al non drogato. Concludendo, il nostro nuovo protocollo di crescita produce N-Gr di alta qualità in grado di rilevare basse concentrazioni di CO e di intrappolarlo in uno spazio confinato. Questo apre interessanti sviluppi sia nel campo della sensoristica che in quello dell’immagazzinamento di gas, con potenziali effetti nel settore tecnologico ed implicazioni nella vita di tutti i giorni.

Figura 2: (a) Spettro XPS del N1s (b) Immagine STM che mostra i difetti in superficie. Nel riquadro sono cerchiati in blu e rosso due dei difetti più abbondanti. A lato, con gli stessi colori, due ingrandimenti di tali difetti. La barra nera segna una distanza di soli 2 nm.

Autori ed affiliazioni

Sara Fiori^1,2, Daniele Perilli³, Mirco Panighel², Cinzia Cepek², Aldo Ugolotti³, Alessandro Sala^1,2, Hongsheng Liu³, Maria Peressi¹, Giovanni Comelli^1,2, Cristiana Di Valentin³, Cristina Africh²

Contatto

Sara Fiori, email: sara.fiori@phd.units.it

Riferimento bibliografico

Sara Fiori, Daniele Perilli, Mirco Panighel, Cinzia Cepek, Aldo Ugolotti, Alessandro Sala, Hongsheng Liu, Giovanni Comelli, Cristiana Di Valentin, Cristina Africh
“Inside-out” growth method for high-quality nitrogen-doped graphene
Carbon 171, 704 (2021)
DOI: 10.1016/j

Riferimento bibliografico

Daniele Perilli, Sara Fiori, Mirco Panighel, Hongsheng Liu, Cinzia Cepek, Maria Peressi, Giovanni Comelli, Cristina Africh, Cristiana Di Valentin
Mechanism of CO Intercalation through the Graphene/Ni(111) Interface and Effect of Doping
Journal of Physisical Chemistry Letters 11, 8887 (2020)
DOI: 0c02447