Un team di ricerca coreano dell'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Corea del Sud, ha sviluppato un elettrocatalizzatore stabile e privo di metalli ad alte prestazioni per ORR e il lavoro di ricerca è stato pubblicato su una rivista scientifica, Nanoscala dalla Royal Society of Chemistry (RSC). (Titolo:"Nanosheet di grafene drogato con eteroatomo basato sulla funzionalizzazione covalente come elettrocatalizzatori privi di metalli per la reazione di riduzione dell'ossigeno")

La disponibilità limitata di combustibili fossili e la crescente domanda di energia hanno stimolato un'intensa ricerca sui sistemi di conversione e stoccaggio dell'energia. Le celle a combustibile hanno ricevuto una notevole attenzione tra le molte scelte di sistemi di accumulo di energia, a causa della loro notevole densità energetica potenziale e dei problemi ambientali.

Gli elettrocatalizzatori per la riduzione dell'ossigeno sono componenti critici che possono migliorare notevolmente le prestazioni delle celle a combustibile, che sono percepiti come la potenza per i futuri veicoli elettrici. Per celle a combustibile più economiche, gli ingegneri hanno bisogno di elettrocatalizzatori veloci ed efficienti che dividano il gas idrogeno per produrre elettricità.

Il team di ricerca dell'UNIST guidato dal Prof. Byeong-Su Kim della Interdisciplinary School of Green Energy, UNISTA, ha presentato un design unico e la caratterizzazione di nuovi nanosheet di grafene drogati con eteroatomi preparati attraverso la funzionalizzazione covalente di varie piccole molecole organiche con un successivo trattamento termico. Questo lavoro è stato proposto e realizzato dallo studente universitario Minju Park della Scuola interdisciplinare di energia verde, UNIST.

Esistono molti metodi disponibili per preparare il grafene drogato con azoto (N-dopato). Questi approcci introducono con successo gli atomi di azoto all'interno della struttura del grafene. Però, molti di loro richiedono precursori di gas tossici, e non sono in grado di controllare il grado di drogaggio e il tipo di funzionalità dell'azoto.

Qui il team di ricerca dell'UNIST ha presentato un approccio semplice per la funzionalizzazione chimica verso nanofogli di grafene drogati con eteroatomi con piccole molecole organiche da utilizzare come elettrocatalizzatori per la reazione di riduzione dell'ossigeno.

Ecco come è stato preparato il materiale:La polvere di ossido di grafite è stata preparata da polvere di grafite con ossidazione ed esfoliata per dare una dispersione marrone di ossido di grafene (GO) sotto ultrasuoni. I nanofogli di ossido di grafene hanno vari gruppi funzionali sul bordo come carbossilico (-COOH), idrossile (-OH), e resina epossidica (-C-O-C).

Quando la sospensione di GO ha reagito con le ammine in presenza di 1-etil-3-(3-dimetilamminopropil)carbodiimmide (EDC), una carbodiimmide solubile in acqua veniva solitamente ottenuta come cloridrato, gruppo carbossilico in GO ha reagito con l'ammina e ha formato un gruppo ammidico. Il team di ricerca lo ha definito "NGOn", che era ossido di grafene chimicamente funzionalizzato. Le sospensioni NGOn sono state ricotte a 800 per 1 ora in atmosfera di argon con forno tubolare, e l'azoto è stato drogato nei nanofogli di ossido di grafene rimuovendo l'ossigeno chiamato "NRGon".

Inoltre, il team di ricerca dell'UNIST ha dimostrato come è possibile migliorare le prestazioni elettrochimiche variando il grado e le configurazioni del drogante di azoto. Ulteriore, hanno esteso l'approccio verso l'introduzione di altri eteroatomi, come boro e zolfo, nel nanofoglio di grafene.

"I nanofogli di grafene drogati con azoto hanno mostrato una stabilità superiore rispetto ai catalizzatori commerciali Pt/C. Questo approccio è stato esteso con successo anche ad altri eteroatomi come boro e zolfo sui nanofogli di grafene, " ha detto Minju Park.

"Prevediamo che questo studio offrirà opportunità e approfondimenti per l'ulteriore sviluppo di elettrocatalizzatori ibridi, " ha detto il prof. Kim, presentare future possibilità di ricerca.