Modelowanie procesów oddziaływania gazów spalinowych z nanomateriałami dwuwymiarowymi stanowi istotny obszar badań nad rozwojem technologii detekcji chemicznej oraz katalizy heterogenicznej. Tlenek węgla oraz dwutlenek węgla, będące głównymi produktami spalania paliw kopalnych, charakteryzują się słabym oddziaływaniem z gładkimi powierzchniami materiałów warstwowych, co w naturalnych warunkach utrudnia ich wychwyt i identyfikację. W ramach projektu badawczego zrealizowano symulacje kwantowo-mechaniczne analizujące zjawisko interkalacji, czyli wnikania cząsteczek gazu w przestrzeń międzywarstwową dwuwymiarowych dichalkogenków metali przejściowych: disiarczku molibdenu (MoS2), ditellurku molibdenu (MoTe2) oraz diselenku molibdenu (MoSe2). Przeprowadzone modelowanie pozwoliło na dokładne scharakteryzowanie mechanizmu procesu, wynikającego ze współzawodnictwa pomiędzy przyciąganiem cząsteczek przez sąsiadujące warstwy a oporem mechanicznym związanym z rozsuwaniem się płaszczyzn atomowych kryształu.
W idealnych strukturach badanych materiałów wnikanie tlenku węgla okazuje się niekorzystne termodynamicznie, natomiast wnikanie dwutlenku węgla staje się możliwe dopiero przy znacznym nagromadzeniu cząsteczek w przestrzeni międzywarstwowej. Zasadniczą zmianę w zachowaniu układów przynosi inżynieria defektów atomowych polegająca na usunięciu pojedynczych atomów chalkogenu, co tworzy wysoce aktywne centra wiążące i nadaje materiałom wyraźną selektywność chemiczną. W przypadku disiarczku molibdenu (MoS2) atomowa luka przechwytuje selektywnie cząsteczki tlenku węgla, pozostając obojętna na większe cząsteczki dwutlenku węgla. Wraz ze wzrostem stężenia tlenku węgla w przestrzeni międzywarstwowej MoS2 zachodzi indukowana defektem reakcja jego utleniania do dwutlenku węgla z trwałym wbudowaniem atomu węgla w strukturę krystaliczną, czemu towarzyszy wyraźny transfer ładunku elektrycznego do warstwy przewodzącej. Z kolei diselenek i ditellurek molibdenu (MoSe2 i MoTe2), cechujące się większymi wymiarami luk atomowych oraz odmienną gęstością elektronową, wykazują odmienną ścieżkę reakcji: materiały te umożliwiają wprowadzenie cząsteczki dwutlenku węgla do wnęki i promują jej redukcję do tlenku węgla.
Zróżnicowane właściwości badanych kryształów stwarzają nowe możliwości aplikacyjne w obszarze bezpieczeństwa przemysłowego, energetyki oraz inżynierii materiałowej. Wykazana selektywność defektowanego MoS2 wobec tlenku węgla pozwala na projektowanie miniaturowych czujników chemo-rezystancyjnych do precyzyjnego monitorowania niepełnego spalania w instalacjach grzewczych i przemysłowych, niewrażliwych na obecność dwutlenku węgla czy wilgoci. Zdolność do aktywacji i redukcji dwutlenku węgla w MoSe2 oraz MoTe2 wnosi wkład w rozwój technologii wychwytu i utylizacji węgla, dostarczając wskazówek do syntezy selektywnych katalizatorów do produkcji gazu syntezowego i paliw alternatywnych. Ponadto uzyskane wyniki wyjaśniają mikroskopowy mechanizm wpływu gazów atmosferycznych na transport ładunku w strukturach wielowarstwowych, co ma istotne znaczenie dla projektowania skutecznych powłok ochronnych i zapewnienia powtarzalności pracy podzespołów nanoelektronicznych.
Projekt "Perły Nauki” pn. "Interkalacja CO i CO2 między warstwami MoS2 i MoTe2, stabilność oraz wpływ na parametry elektryczne" finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach programu "Perły Nauki”, numer projektu: PN/01/0058/2022.
Kierownik projektu mgr inż. Dominik Florjan