Storskalaproduktion af kantfunktionaliserede grafen nanoplader

Forskere fra Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Sydkorea har været banebrydende for en enkel, men effektiv og miljøvenlig måde at producere Edge-selektivt funktionaliserede grafen nanoplader (EFGnP'er) ved tør kugleformaling af grafit i nærvær af forskellige gasser.

Den elektrokatalytiske aktivitet af heteroatom-doterede kulstofbaserede nanomaterialer er blevet en voksende interesse i de sidste par år på grund af deres potentielle anvendelser til brændselsceller og metal-luft-batterier.

Der eksisterer i øjeblikket flere tilgange til doping af heteroatomer til grafitisk struktur, men disse lider under høje fremstillingsomkostninger og tekniske vanskeligheder.

Forskere ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har fundet frem til en enkel, men et effektivt og miljøvenligt alternativ, der ser produktionen af ​​kant-selektivt funktionaliserede grafen nanoplader (EFGnP'er) via en tør kugleformalende grafit i nærværelse af forskellige gasser. Tørkuglemøllen er faktisk en type kværn, traditionelt brugt til at male malme, kemikalier og andre råvarer til fint pulver. Det kan også bruges på atomniveau, som det er tilfældet ved produktion af EFGnP'er.

På grund af alsidigheden af ​​mekanokemiske reaktioner drevet af kuglefræsning, forskellige funktionelle grupper kunne introduceres til de knækkede kanter af grafen-nanoplader (GnP'er) i nærværelse af passende kemiske dampe, væsker, eller faste stoffer i kuglemølleknuseren.

Mekanismen for kantselektiv funktionalisering i kuglefræsningsprocessen involverer reaktionen mellem reaktive kulstofarter genereret af en mekanokemisk spaltning af grafitiske C-C-bindinger og gasser i en forseglet kuglemølleknuser. Den sovende aktive kulstofart, som forbliver ureaktive i knuseren, kunne afsluttes ved efterfølgende udsættelse for luftfugtighed. Som resultat, nogle iltede grupper, såsom hydroxyl (-OH) og carboxylsyre (-COOH), kan indføres ved de brudte kanter af de præformede EFGnP'er med minimal basalplanforvrængning.

Et scanningselektronmikroskop (SEM) bruges til at demonstrere den mekanokemiske krakning af et stykke grafit med stor kornstørrelse til en lille kornstørrelse af EFGnP'er. På grund af reaktionen mellem de nydannede aktive kulstofarter ved de knækkede kanter af GnP'erne og tilsvarende gasser, kuglefræsningen og de efterfølgende oparbejdningsprocedurer viste sig at øge vægten af ​​alle de resulterende EFGnP'er i forhold til grafitudgangsmaterialet. Disse resultater indikerede, at den mekanokemiske funktionalisering af grafit var effektiv. De resulterende EFGnP'er er aktive nok til oxygenreduktionsreaktionen (ORR) i brændselsceller, og derfor vil de lave dyre platin (Pt)-baserede elektrokatalysatorer for at tage et bagsæde.

Jong-Beom Baek, professor og direktør for Interdisciplinary School of Green Energy/Low-Dimensional Carbon Materials Center ved UNIST kommenterede:

"Vi har udviklet en enkel, men alsidig kuglefræsningsproces til effektivt at eksfoliere den uberørte grafit direkte ind i EFGnP'er. Forskellige mikroskopiske og spektroskopiske målinger blev udført for at bekræfte reaktionsmekanismerne for kantfunktionalisering af grafit ved kugleformaling i nærvær af tilsvarende gasser og deres overlegne slektrokatalytiske aktiviteter af ORR, " sagde Prof. Baek.