Rationel hybridisering af N-doteret grafen/carbon nanorør til oxygenreduktion og oxygenudviklingsreaktion

Forskere ved Tsinghua University, Kina, og Nanyang Teknologiske Universitet, Singapore, har designet en iboende dispers nanocarbon-arkitektur, der hybridiserer N-doteret grafen og SWCNT'er, som kan tjene som en overlegen bifunktionel elektrokatalysator til både oxygenreduktion og evolutionsreaktioner.

I dag, vedvarende energisystemer med høj kapacitet som brændselsceller og metal-luft-batterier er meget ønskede for bæredygtigt at brænde samfundet. "Som de vigtigste elektrodereaktioner for sådanne energisystemer, ORR og OER, forkortelse for oxygenreduktion og oxygenudviklingsreaktion, er multi-elektron proces og kinetisk træge. Følgelig, højeffektive elektrokatalysatorer til disse reaktioner er nødvendige for at øge reaktionshastigheden, " siger Dr. Qiang Zhang, lektor ved Institut for Kemiteknik, Tsinghua Universitet. "På trods af høj katalytisk aktivitet, de konventionelle ædelmetalkatalysatorer som Pt, Ru, og Ir, lider under de høje omkostninger og dårlig stabilitet. Som resultat, forskere søger erstatningskatalysatorer fra ikke-ædelmetal og endda ikke-metalmaterialer. Heteroatom-doterede nanocarbonmaterialer giver meget forbedret reaktivitet og katalytisk ydeevne. Vores gruppe udforskede in situ væksten af ​​N-dopet grafen og SWCNT hybrider og deres overlegne elektrokatalytiske ydeevne for ORR og OER."

"De lagdelte dobbelthydroxider blev brugt som den bifunktionelle katalysator for den samtidige vækst af grafen og SWCNT'er, danner det tredimensionelle sammenkoblede netværk, " fortæller prof. Fei Wei Phys.org .

Rent faktisk, Zhangs gruppe har forsket meget i syntesen af ​​hierarkiske nanocarbonmaterialer med de lagdelte dobbelthydroxider som katalysatorer og opnået store fremskridt og produceret mange fremragende papirer. "Med hensyn til de to typiske nanocarbon-materialer, 1D CNT'er og 2D grafen nanoark, begge af dem er tilbøjelige til at aggregere eller stable med hinanden på grund af de stærke van der Waals-kræfter. Det hindrer fuld udnyttelse af de aktive steder til katalytiske reaktioner. Faktisk, integrationen af ​​grafen og CNT'er i et hybridmateriale er en ret lovende strategi for at øge spredningen af ​​grafen og CNT'er, at arve fordelene ved både grafen og CNT'er, og at opnå et effektivt og effektivt elektronisk og termisk ledende 3D-netværk, " siger Qiang. "De FeMoMgAl LDH'er-afledte bifunktionelle katalysatorer indlejret med termisk stabile Fe NP'er tjente ikke kun som en effektiv katalysator for væksten af ​​N-dopede SWCNT'er, men leverede også et lamellært substrat til skabelonaflejring af N-doteret grafen. Derfor, den samtidige vækst af N-doteret grafen og SWCNT'er kan opnås med den kovalente C-C-bindingsforbindelse."

Baseret på dette koncept, Gui-Li Tian, en kandidatstuderende og den første forfatter, udviklet en in-situ kemisk dampaflejringsstrategi for grafen/SWCNT-hybridsyntesen. "N-doteret grafen og SWCNT'er er iboende spredt i denne nye kulstofarkitektur, og de N-holdige funktionelle grupper er godt spredt i det ledende stillads. De fremstillede hybrider har et stort overfladeareal, høj porøsitet og også høj grafitisk grad. Alle disse karakterer gengiver de N-dopede grafen/SWCNT-hybrider med en høj ORR-aktivitet, meget bedre end to bestanddele og endda sammenlignelig med de kommercielle 20 vægt% Pt/C-katalysatorer med meget bedre holdbarhed og modstandsdygtighed over for crossover-effekt, " siger Gui-Li. Hvad mere er, de viste, at en sådan ny kulstofarkitektur også er elektrokatalytisk aktiv for OER.

"Dette indikerede, at hybridmaterialet er en lovende bifunktionel elektrokatalysator for de regenerative brændselsceller og genopladelige metal-luft-batterier, der involverer oxygenelektrokemi, " siger Dr. Dingshan Yu ved Nanyang Technological University, Singapore.

"Vi forudser, at sammenlignet med tilfældige grafen og CNT'er, flere potentielle anvendelser kan opstå, hvis de forbedrede elektriske og optiske egenskaber af dopede grafen/CNT-hybrider blev fuldt udnyttet, " siger Qiang. Derudover, dette arbejde giver også en strukturel platform mod design af 3D-sammenkoblingsmaterialer med ekstraordinære elektronbaner samt tunbar overflade/grænseflade, der kan bruges i områder, såsom katalyse, adskillelse, medicin levering, energiomdannelse og lagring.