Matematisk designet grafen har forbedret elektrokatalytisk aktivitet

En international forskningsgruppe har forbedret grafens evne til at katalysere brintudviklingsreaktionen, som frigiver brint som følge af at føre en elektronisk strøm gennem vand. De designede en matematisk forudsagt grafenelektrocatalysator, og bekræftede dets ydeevne ved hjælp af højopløselig elektrokemisk mikroskopi og beregningsmodellering. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science.

Akichika Kumatani fra Tohoku University's Advanced Institute for Materials Research (AIMR), Tatsuhiko Ohto fra Osaka University, Yoshikazu Ito fra Tsukuba University og kolleger i Japan og Tyskland fandt ud af, at tilsætning af nitrogen- og fosfordopanter omkring de veldefinerede kanter af grafenhuller forbedrede dets evne til at elektrokatalysere brintudviklingsreaktionen.

Grafenbaserede katalysatorer har en fordel i forhold til metalbaserede, idet de er stabile og kontrollerbare, gør dem egnede til brug i brændselsceller, energilagrings- og konverteringsenheder, og i vandelektrolyse. Deres egenskaber kan forbedres ved at foretage flere samtidige ændringer af deres strukturer. Men forskere skal kunne se disse ændringer på nanoskalaen for at forstå, hvordan de arbejder sammen for at fremme katalyse.

Kumatani og hans kolleger brugte den nyligt udviklede scanning elektrokemiske cellemikroskopi (SECCM) til direkte, submikroskala observation af de elektrokemiske reaktioner, der sker, når strøm ledes gennem vand under elektrolyse. Det gav dem også mulighed for at analysere, hvordan strukturelle ændringer i grafenelektrokatalysatorer påvirker deres elektrokemiske aktiviteter. Denne form for observation er ikke mulig ved hjælp af konventionelle metoder.

Teamet syntetiserede en elektrokatalysator fremstillet af et grafenark fuld af matematisk forudsagte huller med veldefinerede kanter. Kanterne omkring hullerne øger antallet af aktive steder, der er tilgængelige for kemiske reaktioner. De dopede grafenarket ved at tilføje nitrogen- og fosforatomer omkring hulkanter. Den grafenbaserede elektrokatalysator blev derefter brugt til at forbedre frigivelsen af ​​hydrogen under elektrolyse.

Ved hjælp af SECCM, teamet fandt ud af, at deres grafenelektrokatalysator signifikant forbedrede dannelsen af ​​en strøm som reaktion på frigivelse af energi under elektrolyse. Deres beregningsberegninger tyder på, at tilsætning af nitrogen og fosfordopanter øger kontrasten mellem positive og negative ladninger på atomerne omkring hulkanter, øge deres evne til at transportere en elektrisk strøm.

Nitrogen- og fosfor-dopede hullede grafenelektrokatalysatorer fungerede bedre end dem, der blev dopet med kun et af de to kemiske elementer.

"Disse fund bane en vej til atomniveau-konstruktion af grafens kantstruktur i grafenbaserede elektrokatalysatorer gennem den lokale visualisering af elektrokemiske aktiviteter, "konkluderer forskerne.