L'incombente crisi dell'energia fossile e le gravi questioni ambientali e climatiche richiedono urgentemente sistemi energetici sostenibili e tecnologie di stoccaggio dell'energia di prossima generazione. Invece di un tradizionale "ciclo del carbonio" basato sull'energia fossile, il "ciclo dell'idrogeno" è emerso e potrebbe essere un'alternativa promettente. Con un dispositivo di divisione dell'acqua, H2 può essere generato dall'acqua mediante elettricità o energia solare, e le trasformazioni energetiche tra energia elettrica/solare e chimica in batterie ricaricabili. Però, il problema centrale della scissione dell'acqua, reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) (4OH - —> 2H 2 O + O 2 + 4e - , alla base), è una semireazione cineticamente lenta, che richiede un alto potenziale eccessivo e ostacola lo sviluppo della scissione dell'acqua.
Recentemente, un gruppo di ricerca cinese, guidato dal Prof. Qiang Zhang dell'Università Tsinghua, ha sviluppato un nuovo composito grafene/idrossido di metallo con un'attività di evoluzione dell'ossigeno superiore. Questo lavoro è pubblicato sulla rivista Materiale avanzato .
Da una parte, il grafene è un materiale che presenta una conduttività elettrica ultraelevata, superficie elevata, e strutture 3D sintonizzabili, che è eccellente per l'elettrocatalisi eterogenea. Però, l'attività intrinseca del grafene è indesiderabile. D'altra parte, Idrossidi a doppio strato di NiFe (LDH di NiFe), con notevole attività catalitica, elevata stabilità, caratteri benevoli per la terra e per l'ambiente, sono considerati i catalizzatori di metalli non preziosi più promettenti.
"Perciò, il controllo fine dell'ibridazione di NiFe LDH in uno specifico substrato di grafene per ottenere un'area di superficie attiva elettrochimica aumentata (ECSA), siti attivi completamente esposti, e una giunzione interfacciale ottimale è l'argomento recente più promettente verso una catalisi dell'evoluzione dell'ossigeno superiore e un'applicazione pratica, "dice il prof. Qiang Zhang.
In questo lavoro, l'architettura dei compositi grafene/NiFe LDH si ispira alla struttura gerarchica del melograno. Utilizzando una struttura di grafene mesoporoso drogato con azoto come substrato per la crescita e la decorazione in situ di LDH di NiFe, gli LDH risultanti mostrano una nanodimensione e una dispersione uniformi, e una forte coppia interfacciale con il substrato conduttivo.
"Il problema più importante per la fabbricazione del materiale è la strategia di crescita assistita dalla topologia e confinata nello spazio a causa del grafene". dice Cheng Tang, il primo autore di quest'opera. "Il drogante di azoto e i difetti indotti dalla topologia del grafene contribuiscono all'adsorbimento e all'ancoraggio dei cationi metallici e quindi i mesopori nel piano sul grafene fungono da nano-reattori per la nucleazione e la crescita spazialmente confinate di NiFe LDH, rendendo così una forte affinità e una dispersione uniforme del NiFe LDH come cresciuto nella struttura del grafene mesoporoso".
"Questa struttura gerarchica ottimizza l'ibridazione tra NiFe LDH e grafene, " osserva il prof. Zhang. "Si traduce in canali mesoporosi, autostrada interconnessa elettronica, accoppiamento interfacciale intimo, aggregazione di particelle represse, e siti attivi completamente esposti."
Ulteriori misurazioni della catalisi rivelano che questo materiale ha prestazioni superiori ai catalizzatori Ir/C commerciali e compete favorevolmente con le migliori alternative segnalate per la catalisi OER ad alte prestazioni con una pendenza Tafel notevolmente bassa (~45 mV dec -1 ), una sovratensione sostanzialmente diminuita (~337 mV richiesti per 10 mA cm -2 ), e una maggiore durata in 0,10 M KOH.
Il prof. Zhang e il suo team riferiscono che le eccellenti prestazioni sono dovute all'effetto sinergico di due componenti ideali e anche alle caratteristiche strutturali uniche di questo nuovo ibrido. Andando avanti, hanno in programma di studiare e ottimizzare la composizione e la struttura di questo tipo di ibrido, e per accertare le relazioni struttura-proprietà e il meccanismo catalitico sottostante.
"Credo che questo complesso fortemente accoppiato abbia varie applicazioni come la catalisi eterogenea, sensori, conversione e stoccaggio dell'energia, e così oh, ." dice il Prof. Zhang. "E, cosa più importante, la strategia di progettazione e fabbricazione assistita dalla topologia apre nuove strade e fa luce su un nuovo ramo di materiali e ibridi nano-architettati avanzati".
