En ædel, men simpel måde at syntetisere nye metalfrie elektrokatalysatorer til iltreduktionsreaktion

Et koreansk forskerhold fra Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), S. Korea, udviklet en højtydende og stabil metalfri elektrokatalysator til ORR, og forskningsarbejdet blev offentliggjort i et videnskabstidsskrift, Nanoskala af Royal Society of Chemistry (RSC). (Titel:"Kovalent funktionaliseringsbaseret Heteroatom Doped Graphene Nanosheet som metalfrie elektrokatalysatorer til iltreduktionsreaktion")

Begrænset tilgængelighed af fossilt brændstof og stigende energibehov har stimuleret intens forskning om energiomdannelses- og lagringssystemer. Brændselsceller har fået stor opmærksomhed blandt de mange valg af energilagringssystemer, på grund af deres bemærkelsesværdige potentielle energitæthed og miljøspørgsmål.

Elektrokatalysatorer til iltreduktion er kritiske komponenter, der dramatisk kan forbedre brændselscellers ydeevne, som opfattes som strømmen til fremtidige elbiler. For mere økonomiske brændselsceller, ingeniører har brug for hurtige og effektive elektrokatalysatorer, der deler hydrogengas for at producere elektricitet.

UNIST-forskerholdet ledet af prof. Byeong-Su Kim fra den tværfaglige skole for grøn energi, UNIST, præsenteret et unikt design og karakterisering af nye heteroatom-dopede grafen-nanosheets fremstillet gennem kovalent funktionalisering af forskellige små organiske molekyler med en efterfølgende termisk behandling. Dette arbejde blev foreslået og udført af bachelorstuderende Minju Park fra den tværfaglige skole for grøn energi, UNIST.

Der er mange tilgængelige metoder til fremstilling af nitrogendoperet (N-dopet) grafen. Disse fremgangsmåder introducerer med succes nitrogenatomer inden for grafenrammen. Imidlertid, mange af dem kræver giftige gasforstadier, og er ude af stand til at kontrollere graden af ​​doping og type nitrogenfunktionalitet.

Heri præsenterede UNIST-forskerholdet en enkel tilgang til kemisk funktionalisering mod heteroatom-dope grafen-nanosheets med små organiske molekyler til brug som elektrokatalysatorer til iltreduktionsreaktionen.

Sådan er materialet blevet fremstillet:Grafitoxidpulver blev fremstillet af grafitpulver med oxidation og eksfolieret for at give en brun dispersion af grafenoxid (GO) under ultralydbehandling. Nanoark af grafenoxid har forskellige funktionelle grupper på kanten, såsom carboxylsyre (-COOH), hydroxyl (-OH), og epoxy (-C-O-C).

Når GO-suspensionen reagerede med aminer i nærvær af 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimid (EDC), et vandopløseligt carbodiimid blev normalt opnået som hydrochlorid, carboxylgruppe i GO reagerede med amin og dannede en amidgruppe. Forskergruppen definerede det som 'NGOn', som var kemisk funktionaliseret grafenoxid. NGOs suspensioner blev udglødet ved 800 ℃ i 1 time under en argonatmosfære med rørovn, og nitrogen blev dopet ind i grafenoxid -nanosheetsene med fjernelse af oxygen med navnet 'NRGOn'.

UNIST -forskergruppen demonstrerede endvidere, hvordan den elektrokemiske ydeevne kan forbedres ved at variere graden og konfigurationerne af nitrogendopanten. Yderligere, de udvidede tilgangen til introduktion af andre heteroatomer, såsom bor og svovl, ind i grafen nanosheet.

"Nitrogen-dopede grafen-nanosheets viste overlegen stabilitet sammenlignet med kommercielle Pt/C-katalysatorer. Denne fremgangsmåde er også med succes blevet udvidet til andre heteroatomer såsom bor og svovl på grafen-nanosheets, "sagde Minju Park.

"Vi forestiller os, at denne undersøgelse vil tilbyde muligheder og indsigt for videre udvikling af hybridelektrokatalysatorer, "sagde prof. Kim, præsentere fremtidige forskningsmuligheder.