Katalysatorer er af afgørende betydning for at opnå høj effektivitet og økonomisk profit for de fleste heterogene reaktioner. Da katalytisk reaktion kun opstår, når reaktanter når de aktive steder, disse aktive steder skal være maksimalt eksponeret ved overfladen i en højeffektiv katalysator.
Ud fra denne betragtning, forskere fra Tsinghua University i Kina har nu demonstreret et unikt koaksialt carbon nano-materiale med uberørt carbon nanorør (CNT) som kernen og et nitrogen-doteret rynket carbonlag som skal. De koaksiale nanokabler, betegnet som CNT@NCNT, er beriget med N dopingatomer ved overfladen - dvs. de N-inkorporering-inducerede aktive steder er blotlagt ved overfladen. Holdet rapporterede deres forskning i Avancerede funktionelle materialer , udgave 38, bind 24.
"Carbon nanorør, et superstjernet funktionelt materiale, har tiltrukket sig stor opmærksomhed, siden de blev fundet i 1991. Desuden inkorporeringen af hetero-atomer i CNT-skelettet giver de dopede CNT'er forbedret kemisk reaktivitet og sekventielt god katalytisk ydeevne." Dr. Qiang Zhang fortalte Phys.Org, "For de fleste af N-dopede CNT'er (NCNT'er), der er direkte syntetiseret af kemisk dampaflejringsvækst og kemisk doping, de inkorporerede N-atomer fordeler sig ensartet. Derfor, de aktive steder induceret af dopingatomerne i de indre vægge er næppe tilgængelige og bidrog derfor næppe til den katalytiske aktivitet."
"Udover, den bambuslignende struktur eller den kopstablede struktur af de rutinemæssige NCNT'er giver kompleks pakning af grafenlag, som hindrer den hurtige elektrontransport langs grafenlagene. Følgelig, det er meget ønsket for en effektiv NCNT-elektrokatalysator at inkorporere N-atomer i carbonnanorør selektivt på overfladen for fuldt ud at eksponere de aktive steder, mens de indre kontinuerlige CNT-vægge er velbevarede."
I denne forbindelse Gui-Li Tian, en kandidatstuderende og den første forfatter af papiret, udviklet en nem, ikke-væskefasemetode til fremstilling af CNT@NCNT koaksiale nanokabler. "Et tyndt N-holdigt turbostratisk kulstoflag kan epitaksielt vokse på ydervæggene af uberørte CNT'er ved CVD af N-holdige forbindelser, hvilket resulterer i de koaksiale nanokabler, der udgøres af de cylindriske CNT-vægge og de rynkede N-doterede lag, " siger Tian. "N-atomerne til doping er beriget på overfladen af de fremstillede nanokabler. Og de indre vægge forblev intakte som forventet, fører til en høj elektrisk ledningsevne på 3,3 S cm-1. Ved at kombinere både fordelene ved overfladeberigede dopant-N-atomer og kontinuerlige indre vægge, CNT@NCNT besidder overlegen elektrokatalytisk aktivitet. "
N-doterede koaksiale carbon nanokabler med aktive steder effektivt eksponeret ved overfladen for iltreduktion og evolutionsreaktion. (Billede:Institut for Kemiteknik, Tsinghua University)
"Sammenlignet med de rutinemæssige bulk-dopede NCNT'er på lignende dopingniveau, CNT@NCNT-katalysatoren gav højere strømtæthed og lavere overpotentiale både for iltreduktion og evolutionsreaktion."
Prof. Fei Wei tilføjede, "De inkorporerede N-atomer er koncentreret på overfladen af CNT@NCNT. Derfor, de aktive steder induceret af dopingatomerne er mere tilgængelige for reaktanter. Desuden, kulstofmaterialets polaritet og hydrofili er også forbedret, som lettede masseoverførsel ved grænsefladen mellem elektrodemateriale og elektrolyt. Ud over, høj elektrisk ledningsevne tilskrevet de intakte indre vægge gavner hurtig ladningsoverførsel fra de N-doterede lag ind i CNT-stilladserne. Som resultat, CNT@NCNT giver overlegen elektrokatalytisk ydeevne sammenlignet med rutinemæssige NCNT'er."
"Ud over overlegne katalysatorer til oxygenelektrokemi, CNT@NCNT koaksiale nanokabler er også en god platform for fuld eksponering af aktive steder for robuste grænseflader af højtydende kompositter, samt effektive katalysatorer og/eller metalnanopartikelstøtter til selektiv oxidationsreaktion og biosensorer, osv." sagde prof. Dang-Sheng Su fra Institute of Metal Research, det kinesiske videnskabsakademi, i Shenyang, Kina, en medforfatter af papiret.
Da overfladens hetero-junction nanostrukturer ikke er begrænset til CNT'er, forskerne forudser en ny gren af kemi, der udvikler sig inden for området fuld eksponering af aktive steder gennem de 3D heterogene systemer.