Fjernelse af interkaleret vand fra nitrogen-doterede grafenoxidplader

(Phys.org)—Brændselsceller kræver en katalysator til iltreduktionsreaktionen. En type katalysator er nitrogen-doterede grafenoxid-nanoark. Nanoplader af grafenoxid kan let funktionaliseres med andre atomer såsom bor, nitrogen, eller svovl, samt metaller som jern, nikkel, og kobolt, gør dem til et alsidigt materiale til praktiske anvendelser.

Processen med at fremstille grafenoxid-nanoark udføres i et vandigt medium og resulterer i vandmolekyler, der opholder sig mellem grafenpladerne. Flere forskere fra Los Alamos National Laboratory, University of New Mexico, Oak Ridge National Laboratory, og Rutgers University har karakteriseret virkningerne af at fjerne disse interkalerede vandmolekyler. De fandt ud af, at vandmolekylerne ikke kun påvirker nanosheeternes fysiske struktur og koncentrationen af ​​heteroatomer, der tilsættes til det, men fjernelse af vandmolekylerne ændrer nanopladernes katalytiske aktivitet. Deres arbejde vises i Videnskabens fremskridt .

Grafit oxideres til dannelse af grafenoxidplader. Disse ark har typisk interkalerede vandmolekyler mellem arkene. For at lave katalysatoren, disse plader er reduceret og doteret med et heteroatom for at danne doterede grafenplader. Få undersøgelser er blevet udført for at forstå de virkninger, som de interkalerede vandmolekyler har på grafenoxid-nanoark.

Ved hjælp af vakuumtørring og opløsningsmiddelvask med opløsningsmidler, der opfylder visse Hansen-opløselighedsparametre, Martinez, et al. var i stand til at tørre grafenoxidplader og fjerne de indskudte vandmolekyler mellem arkene. XRD-undersøgelser bekræfter, at afstanden mellem arkene faldt signifikant efter vakuumtørring og så endnu mere efter opløsningsmiddeltørring. Mellemlagsafstanden ændrede sig fra 10,8 Å til 8,6 Å efter vakuumtørring og derefter til 7,5 Å efter opløsningsmiddeltørring med ethanol eller diethylether. Desuden, XRD-data viste også tegn på lang rækkefølge.

XPS- og IR-data bekræftede også, at arkene manglede interkaleret vand. Molekylær dynamik undersøgelser bekræftede, at opløsningsmidlerne væsentligt ændrer strukturen af ​​vand-interkalerede grafen-oxidplader. Navnlig de ether-behandlede plader udviste en slags "rynkning", der til dels kan være grunden til, at de ether-behandlede plader udviste den bedste katalytiske aktivitet for oxygenreduktionsreaktionen.

Nitrogen-doping blev udført under anvendelse af en kendt metode. Martinez, et al. behandlede de opløsningsmiddelskylte og vakuumtørrede grafenoxidplader med ammoniak ved en høj temperatur. De bemærkede, at de ethanol- og etherbehandlede plader havde store huller i pladerne, hvilket er nyttigt til katalyse, fordi det eksponerer mellemlags aktive steder.

Martinez, et al. testede derefter deres nye nitrogendopede reducerede grafenoxidkatalysator (NrGO) med en roterende ringskiveelektrode i sure medier. De ledte efter de tre nøglefunktioner for en god katalysator:lavt overpotentiale, højt halvbølgepotentiale, og selektivitet for oxygens fire-elektron reduktion til vand. Overpotentialet er det yderligere potentiale ud over det teoretiske potentiale for en iltreduktionsreaktion (E ^o =1,23V vs. RHE). Ilt kan gennemgå enten en fire-elektron-reduktionsreaktion for at producere vand eller en to-elektron-reduktionsreaktion for at danne hydrogenperoxid. Jo mere selektiv katalysatoren er for fire-elektron reaktionen, des bedre.

De fandt ud af, at den NrGO, der blev behandlet med diethylether, viste det bedste overpotentiale, halvbølgepotentiale, og selektivitetsværdier sammenlignet med vakuumtørret, ethanol-behandlet, og ubehandlede grafenoxidplader. Martinez, et al. rapporterede, at dette er den højeste iltreduktionsreaktivitet til dato for NrGO -katalysatorer i sure medier.

Denne forskning giver værdifuld indsigt i, hvordan interkaleret vand påvirker den katalytiske aktivitet af grafenoxid-nanoark. Ifølge Dr. Gautam Gupta, principforsker i denne undersøgelse, denne undersøgelse er vigtig for protonudvekslingsmembranbrændselsceller, fordi de kræver sure forhold. Da han blev spurgt om konsekvenserne af hans forskning, Dr. Gupta sagde, "Dette er den første rapport, der understreger vandets nøglerolle i katalyse, og forskningen har betydelige konsekvenser ved design af 2D -materialer, såsom overgangsmetal -dichalcogenider til energiopplikationer."

© 2016 Phys.org