I catalizzatori sono di fondamentale importanza per ottenere un'elevata efficienza e un profitto economico per la maggior parte delle reazioni eterogenee. Poiché la reazione catalitica avviene solo quando i reagenti raggiungono i siti attivi, questi siti attivi devono essere esposti al massimo in superficie in un catalizzatore ad alta efficienza.

Sulla base di questa considerazione, i ricercatori dell'Università Tsinghua in Cina hanno ora dimostrato un unico materiale di nanocavi in ​​carbonio coassiale con nanotubi di carbonio incontaminati (CNT) come nucleo e uno strato di carbonio rugoso drogato con azoto come guscio. I nanocavi coassiali, indicato come CNT@NCNT, sono arricchiti con N atomi droganti in superficie, cioè i siti attivi indotti dall'incorporazione di N sono esposti in superficie. Il team ha riportato la loro ricerca in Materiali funzionali avanzati , numero 38, volume 24.

"Nanotubi di carbonio, un materiale funzionale super-star, hanno attirato molta attenzione da quando sono stati trovati nel 1991. Inoltre, l'incorporazione di eteroatomi nello scheletro CNT rende i CNT drogati con una migliore reattività chimica e prestazioni catalitiche sequenzialmente buone." ha detto il dott. Qiang Zhang a Phys.Org, "Per la maggior parte dei CNT drogati con N (NCNT) direttamente sintetizzati dalla crescita della deposizione chimica da vapore e dal drogaggio chimico, gli atomi di N incorporati si distribuiscono uniformemente. Perciò, i siti attivi indotti dagli atomi droganti nelle pareti interne sono difficilmente accessibili e di conseguenza hanno scarsamente contribuito all'attività catalitica."

"Oltretutto, la struttura simile al bambù o la struttura a tazze degli NCNT di routine rende l'imballaggio complesso di strati di grafene, che ostacola il rapido trasporto di elettroni lungo gli strati di grafene. Di conseguenza, è altamente auspicabile che un elettrocatalizzatore NCNT efficiente incorpori gli atomi di N in nanotubi di carbonio in modo selettivo sulla superficie per esporre completamente i siti attivi mentre le pareti interne continue del CNT sono ben conservate".

A questo proposito, Gui-Li Tian, uno studente laureato e il primo autore dell'articolo, sviluppato un facile, metodo in fase non liquida per fabbricare i nanocavi coassiali CNT@NCNT. "Un sottile strato di carbonio turbostratico contenente N può crescere epitassialmente sulle pareti esterne di CNT incontaminati da CVD di composti contenenti N, risultando nei nanocavi coassiali costituiti dalle pareti cilindriche CNT e dagli strati rugosi drogati con N, " dice Tian. "Gli atomi di N droganti sono arricchiti sulla superficie dei nanocavi così come sono fabbricati. E le pareti interne sono rimaste intatte come previsto, portando ad un'elevata conduttività elettrica di 3,3 S cm-1. Combinando sia i meriti degli atomi di N droganti arricchiti in superficie che le pareti interne continue, CNT@NCNT possiede un'attività elettrocatalitica superiore. "

"Rispetto agli NCNT drogati in massa di routine a un livello di doping simile, il catalizzatore CNT@NCNT offriva una maggiore densità di corrente e un minor potenziale sia per la riduzione dell'ossigeno che per la reazione di evoluzione."

Il prof. Fei Wei ha aggiunto, "Gli atomi di N incorporati sono concentrati sulla superficie di CNT@NCNT. Pertanto, i siti attivi indotti dagli atomi droganti sono più accessibili ai reagenti. Per di più, anche la polarità e l'idrofilia del materiale carbonioso sono migliorate, che ha facilitato il trasferimento di massa all'interfaccia tra il materiale dell'elettrodo e l'elettrolita. Inoltre, l'elevata conduttività elettrica attribuita alle pareti interne intatte favorisce il rapido trasferimento di carica dagli strati drogati con N agli scaffold CNT. Di conseguenza, CNT@NCNT offre prestazioni elettrocatalitiche superiori rispetto agli NCNT di routine."

"Oltre ai catalizzatori superiori per l'elettrochimica dell'ossigeno, I nanocavi coassiali CNT@NCNT sono anche una buona piattaforma per l'esposizione completa di siti attivi per interfacce robuste di compositi ad alte prestazioni, nonché catalizzatori efficienti e/o supporti di nanoparticelle metalliche per reazioni di ossidazione selettiva e biosensori, ecc." ha detto il prof. Dang-Sheng Su dell'Istituto di ricerca sui metalli, Accademia cinese delle scienze, a Shenyang, Cina, un coautore del documento.

Poiché le nanostrutture di eterogiunzione di superficie non sono limitate ai CNT, i ricercatori prevedono una nuova branca della chimica in evoluzione nell'area della piena esposizione dei siti attivi attraverso i sistemi eterogenei 3D.