Пористый графен может быть применён для решения актуальной проблемы поиска фотокаталитических систем на основе широкозонных полупроводников.

Высокая популярность графена или, по-другому, моноатомного графитового слоя обусловлена не только его необычными физико-химическими свойствами, но и перспективами практического применения.

Многие исследователи сходятся во мнении, что графен может сыграть ключевую роль в элегантном решении многих прикладных задач. Сегодня, среди наиболее смелых предложений можно услышать о постепенной замене кремния в элементах наноэлектроники, а также активном использовании графена в энергетике в качестве водородозапасающего материала. Более того, графен является “прародителем” не менее интересных и многообещающих наноматериалов, таких как графан и, так называемый, пористый графен (PG). Пористый графен представляет собой двумерную структуру, образованную фенильными кольцами (рис. 1).

Постоянная решетки такой такой двумерной системы составляет около 7.5 Å. Несомненно, наличие полостей в графене существенно повлияет на его характеристики. Однако в некоторых приложениях использование модифицированного графена наверняка будет более предпочтительным. Собственно моделированию свойств PG и посвящена работа исследователя J. Am. Chem и его коллеги A.Du. Авторы выполнили ряд ab initio расчетов, в том числе с помощью довольно популярного программного пакета VASP, и показали что “пористость” графена приводит к образованию у последнего запрещенной зоны (напомним, что в зонной структуре обыкновенного графена запрещенная зона отсутствует).

Рис. 1. Общий вид пористого графена (зеленые шары соответствуют атомам углерода, белые шары – атомам водорода).

Исходя из результатов расчета, ее ширина составила 3.2 эВ, что вполне сопоставимо, например, с шириной запрещенной зоны диоксида титана, находящего широкое применение в фотокатализе. Авторы предполагают, что кроме приложений наноэлектроники пористый графен мог бы стать прекрасным кандидатом для решения актуальной проблемы поиска фотокаталитических систем на основе широкозонных полупроводников. Еще одним не менее важным результатом стало то, что Li-PG способен запасать гораздо больше молекулярного водорода, чем допированный литием традиционный графен. Содержание водорода в таком соединении, по прогнозам, составит до двенадцати массовых процентов (рис. 2).

Рис. 2. Молекулы водорода адсорбированные на поверхности пористого графена (вид сверху)

На рисунке 2(а) показаны шесть молекул водорода, адсорбированных на поверхности пористого графена, допированного двумя атомами лития, (б) двенадцать молекул водорода, адсорбированных на поверхности пористого графена, допированного четырьмя атомами лития. Зеленые шары – атомы углерода, белые шары – атомам водорода, синие шары – атомам лития и желтые шары соответствуют физически адсорбированным молекулам водорода.

Будем надеяться, что представленные результаты окажутся полезными для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований пористого графена, тем более что его непосредственный синтез уже успешно осуществлен.