Scienziati dell'Università Tsinghua, Cina, e l'Università tecnologica di Nanyang, Singapore, hanno progettato un'architettura di nanocarbonio a dispersione intrinseca che ibrida grafene drogato con N e SWCNT, che può fungere da elettrocatalizzatore bifunzionale superiore sia per la riduzione dell'ossigeno che per le reazioni di evoluzione.

Oggi, sistemi energetici rinnovabili e ad alta capacità come le celle a combustibile e le batterie metallo-aria sono altamente desiderati per alimentare in modo sostenibile la società. "Poiché le reazioni elettrodiche chiave per tali sistemi energetici, ORR e OER, abbreviazione di riduzione dell'ossigeno e reazione di evoluzione dell'ossigeno, sono processi multielettronici e cineticamente lenti. Di conseguenza, sono necessari elettrocatalizzatori ad alta efficienza per queste reazioni per aumentare la velocità di reazione, "dice il dottor Qiang Zhang, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Tsinghua. "Nonostante l'elevata attività catalitica, i convenzionali catalizzatori di metalli nobili come Pt, Ru, e io, risentono del costo elevato e della scarsa stabilità. Di conseguenza, gli scienziati stanno cercando catalizzatori sostitutivi da metalli non nobili e persino da materiali non metallici. I materiali di nanocarbonio drogati con eteroatomi offrono reattività e prestazioni catalitiche molto migliorate. Il nostro gruppo ha esplorato la crescita in situ del grafene drogato con N e degli ibridi SWCNT e le loro prestazioni elettrocatalitiche superiori per ORR e OER".

"Gli idrossidi a doppio strato sono stati impiegati come catalizzatore bifunzionale per la crescita simultanea di grafene e SWCNT, formando la rete tridimensionale interconnessa, " Racconta il Prof. Fei Wei Phys.org .

In realtà, Il gruppo di Zhang ha svolto molte ricerche sulla sintesi di materiali nanocarbonici gerarchici con i doppi idrossidi stratificati come catalizzatori e ha ottenuto grandi progressi e ha prodotto molti documenti eccellenti. "Per quanto riguarda i due tipici materiali nanocarbonici, CNT 1D e nanosheet di grafene 2D, entrambi sono inclini ad aggregarsi o impilarsi l'uno con l'altro a causa delle forti forze di van der Waals. Ciò ostacola il pieno utilizzo dei siti attivi per le reazioni catalitiche. Infatti, l'integrazione di grafene e CNT in un materiale ibrido è una strategia piuttosto promettente per migliorare la dispersione di grafene e CNT, ereditare i vantaggi sia del grafene che dei CNT, e per ottenere una rete 3D elettronica e termica efficiente ed efficace, " Qiang dice. "I catalizzatori bifunzionali derivati ​​​​da FeMoMgAl LDH incorporati con Fe NP termicamente stabili non solo sono serviti come catalizzatore efficiente per la crescita di SWCNT drogati con N, ma ha anche fornito un substrato lamellare per la deposizione modellata di grafene drogato con N. Perciò, la crescita simultanea di grafene drogato con N e SWCNT può essere ottenuta con la connessione di legame covalente C-C."

Sulla base di questo concetto, Gui-Li Tian, uno studente laureato e il primo autore, ha sviluppato una strategia di deposizione chimica da vapore in situ per la sintesi ibrida grafene/SWCNT. "Il grafene e gli SWCNT drogati con N sono intrinsecamente dispersi in questa nuova architettura del carbonio e i gruppi funzionali contenenti N sono ben dispersi nello scaffold conduttivo. Gli ibridi così come fabbricati hanno un'ampia superficie, elevata porosità e anche alto grado di grafite. Tutti questi caratteri rendono gli ibridi grafene/SWCNT drogati con un'elevata attività ORR, molto superiore a due componenti costitutivi e persino paragonabile ai catalizzatori commerciali al 20% in peso Pt/C con una durata e una resistenza all'effetto crossover molto migliori, " dice Gui-Li. Inoltre, hanno dimostrato che tale nuova architettura del carbonio è anche elettrocataliticamente attiva per l'OER.

"Ciò ha indicato che il materiale ibrido è un promettente elettrocatalizzatore bifunzionale per le celle a combustibile rigenerative e le batterie ricaricabili metallo-aria che coinvolgono l'elettrochimica dell'ossigeno, " dice il dottor Dingshan Yu alla Nanyang Technological University, Singapore.

"Prevediamo che rispetto al grafene casuale e ai CNT, potrebbero sorgere più potenziali applicazioni se le proprietà elettriche e ottiche migliorate degli ibridi drogati di grafene/CNT fossero pienamente sfruttate, " dice Qiang. Inoltre, questo lavoro fornisce anche una piattaforma strutturale per la progettazione di materiali di interconnessione 3D con percorsi elettronici straordinari e superficie/interfaccia sintonizzabili che possono essere utilizzate in aree, come catalisi, separazione, consegna farmaci, conversione e stoccaggio dell'energia.