Ученые выявили уникальное свойство графена — способность экранировать химическое взаимодействие на молекулярном уровне. Обнаруженный экранирующий эффект позволяет целенаправленно изменять реакционную способность молекул, регулировать активность катализаторов и конструировать углеродные нанореакторы нового типа.

Лист графена может служить эффективным химическим экраном, регулирующим взаимодействие молекул субстрата с активными частицами (© AnanikovLab).

Уникальное сочетание свойств графена приводит к тому, что молекулы, находящиеся по разные стороны от листа графена, не могут непосредственно реагировать между собой, но могут чувствовать влияние друг друга через графеновый слой (толщина листа графена равна одному атому). Идеей ученых из ИОХ РАН было рассмотреть графеновый химический экран и его способность «гасить» или наоборот «усиливать» передачу такого влияния.

Были применены методы молекулярного моделирования, позволяющие теоретически прогнозировать и объяснять реакционную способность молекул. На роль активных частиц были выбраны различные органические многозарядные катионы, которые присутствуют в виде дефектных центров в углеродных материалах. В качестве молекулы субстрата, подвер-гающейся действию этих катионов, были выбраны карбонильные комплексы палладия, кото-рые используются в химии как предшественники катализаторов. При непосредственном кон-такте (без листов графена) катион придал комплексу палладия значительный положительный заряд. Добавление между катионом и комплексом палладия экрана в виде одного листа гра-фена привело заметному уменьшению заряда комплекса («разрядка» на 25% от первоначаль-ного значения). Усиление экранирования путем добавления еще одного листа графена при-вело к дальнейшему уменьшению заряда комплекса еще на 20%, а третий лист графена «раз-рядил» комплекс еще на 12%.

Таким образом, листы графена эффективно экранируют химические взаимодействия. Одно из применений описанного явления связано с уменьшением воздействия дефектных центров на поверхности углеродных материалов, другой, не менее важной областью приме-нения, является регулирование избирательности и активности металлических катализаторов на углеродной подложке.

Экспериментальная проверка наглядно подтвердила теоретические прогнозы. Иссле-дователи получили углеродные материалы, содержащие дефекты на поверхности. Эти де-фекты служат аналогами активных частиц, экранирование действия которых и нужно до-биться. Было показано, что наночастицы палладия адсорбируются именно в областях лока-лизации дефектов, что подтверждает высокую активность последних. Однако как только де-фекты были покрыты несколькими слоями графеновых чешуек, распределение частиц ме-талла стало равномерным, то есть, наночастицы перестали чувствовать влияние дефектов вследствие их экранирования графеном.

Полученные данные не только расширяют наше понимание химии графеновых систем, но и, возможно, приведут к получению новых адаптивных каталитических систем, сочетаю-щих в себе свойства и катализатора и нанореактора одновременно.

Статья «Shielding the chemical reactivity using graphene layers for controlling the surface properties of carbon materials» Alexandr E. Sedykh, Evgeniy G. Gordeev, Evgeniy O. Pentsak, Valentine P. Ananikov опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.