Recenti ricerche pubblicate in un articolo in NANO da un team di ricercatori dell'Università di Beihang hanno fabbricato un nuovo tipo di VNQD-NG come elettrocatalizzatore a base di metalli non preziosi per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR). Le caratteristiche strutturali uniche degli abbondanti punti quantici VN con le dimensioni di 3-6 nm, l'elevata area superficiale e i pori multilivello consentono notevoli bordi strutturali e difetti come siti attivi, massimizzando i siti attivi esposti e fornendo percorsi di trasporto degli elettroni sufficienti per l'ORR. Questo ha significative applicazioni pratiche e commerciali.

Un team di ricercatori della Beihang University di Pechino, La Cina ha dimostrato un nuovo tipo di catalizzatori a basso costo a base di metalli non preziosi come alternativa ai catalizzatori a base di platino per la reazione di riduzione dell'ossigeno. Nel loro lavoro, un nuovo tipo di punti quantici di nitruro di vanadio ancorati in modo omogeneo su grafene drogato con azoto (denotato come VNQD-NG) viene fabbricato con un semplice metodo idrotermico e successivo processo di ricottura dell'ammoniaca. Il VNQD-NG mostra un'elevata attività elettrocatalitica, lunga durata ed elevata selettività per ORR, superiore al Pt-C disponibile in commercio. Il loro rapporto appare nel prossimo numero della rivista NANO .

Lo sviluppo di elettrocatalizzatori adatti per l'ORR è significativo per le applicazioni pratiche delle celle a combustibile e delle batterie metallo-aria a causa della lentezza cinetica dell'ORR con un complesso processo di trasferimento di quattro elettroni. Nonostante l'elevata efficienza del platino (Pt) e delle leghe a base di Pt per l'ORR, il loro alto costo insieme alle rare riserve in natura impedisce in gran parte l'applicazione pratica su larga scala. Perciò, lo sviluppo di catalizzatori a basso costo a base di metalli non preziosi come alternativa ai catalizzatori a base di Pt è cruciale. Il nitrito di vanadio (VN) non solo ha la struttura e l'alta densità di stati simili a quelle dei suddetti nitruri di metalli di transizione, ma mostra anche una buona resistenza alla corrosione e un'elevata conduttività elettrica, mantenendo grandi promesse come elettrocatalizzatore attivo per ORR.

Il VNQD-NG così preparato possiede numerosi punti quantici (QD) VN a dimensione zero (0D) con le dimensioni di 3?6 nm ancorati in modo omogeneo sulla superficie del grafene drogato con azoto, offrendo bordi e difetti strutturali considerevoli come siti attivi per l'ORR. Inoltre, i nanosheet VNQD-NG possono costruire simultaneamente un'architettura porosa tridimensionale (3D) per massimizzare i siti attivi esposti e fornire percorsi di trasporto di elettroni sufficienti durante l'ORR. I ricercatori hanno eseguito misurazioni del voltammogramma ciclico (CV) in una soluzione acquosa di KOH 0,1 M per studiare le caratteristiche ORR dei campioni VNQD-NG, riflettendo un'attività elettrocatalitica prominente del VNQD-NG per la riduzione dell'ossigeno. Le misurazioni cronoamperometriche mostrano che si verifica una forte risposta di corrente al catalizzatore Pt-C quando metanolo 3 M è stato iniettato in una soluzione satura di ossigeno, mentre il VNQD-NG mantiene una corrente stabile senza alcuna risposta distinta. Apparentemente, l'ibrido VNQD-NG mostra un'elevata selettività al metanolo nell'elettrolita alcalino, tolleranza agli effetti di crossover causati dalle molecole di combustibile che permeano attraverso la membrana polimerica. I ricercatori hanno anche condotto le misurazioni con elettrodo a disco ad anello rotante (RRDE) per verificare la cinetica elettrochimica ORR di VNQD-NG, mostrando un potenziale di insorgenza dell'ORR paragonabile a quello del catalizzatore Pt-C, e un numero di trasferimento di elettroni (n) e una densità di corrente di limitazione cinetica (Jk) più elevati rispetto a quelli del Pt-C commerciale e di altri catalizzatori non Pt. La risposta coronoamperometrica in tempo corrente (i?t) per VNQD-NG rivela un'attenuazione piuttosto bassa del 77 % dopo 30 000 s, che fornisce un'ulteriore prova che la stabilità del VNQD-NG è superiore a quella del Pt-C commerciale (60 %).

VNQD-NG mostra un'elevata attività elettrocatalitica, alta selettività e lunga durata per ORR, migliore del Pt-C disponibile in commercio. Questi risultati potrebbero fornire un'estensione dello sviluppo di vari altri punti quantici di nitruro di metallo poroso 3D sul grafene per ampie applicazioni nei sensori, catalisi, e altri dispositivi elettronici.