Schema del processo sviluppato per realizzare catalizzatori NrGO. La grafite naturale (con una spaziatura d di 3,4 ) viene funzionalizzata chimicamente ed esfoliata utilizzando permanganato di potassio e acido solforico (metodo Hummers modificato) per produrre una polvere GO con una spaziatura d di ~ 1 nm. GO viene quindi sottoposto a diversi trattamenti di risciacquo con solvente seguiti da essiccazione sotto vuoto per rimuovere efficacemente l'acqua intercalata non legata come indicato dalla diminuzione della spaziatura d (da 8,6 a 5,4 , a seconda del solvente utilizzato per il risciacquo). Il GO essiccato risultante viene drogato con azoto (NH3 a 850°C), portando alla formazione di catalizzatori NrGO con una spaziatura d finale di 3,4 . Atomi:C (grigio), Mn da KMnO4 (viola), N (blu), O (rosso), e H (bianco). Credito:U. Martinez et al. Progressi scientifici (2016). DOI:10.1126/sciadv.1501178
(Phys.org)—Le celle a combustibile richiedono un catalizzatore per la reazione di riduzione dell'ossigeno. Un tipo di catalizzatore sono i nanosheet di grafene-ossido drogati con azoto. I nanofogli di ossido di grafene sono facilmente funzionalizzati con altri atomi come boro, azoto, o zolfo, così come metalli come il ferro, nichel, e cobalto, rendendoli un materiale versatile per applicazioni pratiche.
Il processo di produzione di nanofogli di ossido di grafene viene eseguito in un mezzo acquoso e provoca molecole d'acqua che risiedono tra i fogli di grafene. Diversi ricercatori del Los Alamos National Laboratory, l'Università del Nuovo Messico, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, e la Rutgers University hanno caratterizzato gli effetti della rimozione di queste molecole d'acqua intercalate. Hanno scoperto che le molecole d'acqua non solo influenzano la struttura fisica dei nanofogli e la concentrazione di eteroatomi che vengono aggiunti ad essa, ma la rimozione delle molecole d'acqua modifica l'attività catalitica dei nanosheet. Il loro lavoro appare in Progressi scientifici .
La grafite viene ossidata per formare fogli di ossido di grafene. Questi fogli hanno tipicamente molecole d'acqua intercalate tra i fogli. Per fare il catalizzatore, questi fogli vengono ridotti e drogati con un eteroatomo per formare fogli di grafene drogato. Sono stati condotti pochi studi per comprendere gli effetti che le molecole d'acqua intercalate hanno sui nanofogli di ossido di grafene.
Utilizzando l'essiccazione sotto vuoto e il lavaggio con solventi con solventi che soddisfano determinati parametri di solubilità Hansen, Martinez, et al. sono stati in grado di asciugare fogli di ossido di grafene e rimuovere le molecole d'acqua intercalate tra i fogli. Gli studi XRD verificano che la distanza tra i fogli è diminuita significativamente dopo l'essiccazione sotto vuoto e quindi ancora di più dopo l'essiccazione con solvente. La distanza tra i fogli è cambiata da 10,8 a 8,6 dopo l'essiccazione sotto vuoto e quindi a 7,5 dopo l'essiccazione con solvente con etanolo o etere etilico. Per di più, I dati XRD hanno anche mostrato prove di ordine a lungo raggio.
I dati XPS e IR hanno anche verificato che le lastre fossero prive di acqua intercalata. Gli studi di dinamica molecolare hanno confermato che i solventi alterano sostanzialmente la struttura dei fogli di ossido di grafene intercalati in acqua. In particolare, i fogli trattati con etere hanno mostrato una sorta di "increspatura" che potrebbe essere in parte il motivo per cui i fogli trattati con etere hanno mostrato la migliore attività catalitica per la reazione di riduzione dell'ossigeno.
Il drogaggio con azoto è stato effettuato utilizzando un metodo noto. Martinez, et al. trattato i fogli di ossido di grafene lavati con solvente e essiccati sotto vuoto con ammoniaca ad alta temperatura. Hanno notato che i fogli trattati con etanolo ed etere avevano grandi fori nei fogli, che è utile per la catalisi perché espone i siti attivi dell'interstrato.
Martinez, et al. hanno quindi testato il loro nuovo catalizzatore a ossido di grafene ridotto drogato con azoto (NrGO) con un elettrodo a disco ad anello rotante in un mezzo acido. Hanno cercato le tre caratteristiche chiave per un buon catalizzatore:basso potenziale eccessivo, alto potenziale di semionda, e selettività per la riduzione a quattro elettroni dell'ossigeno in acqua. Il potenziale eccessivo è il potenziale aggiuntivo oltre il potenziale teorico per una reazione di riduzione dell'ossigeno (E o =1.23V contro RHE). L'ossigeno può subire una reazione di riduzione a quattro elettroni per produrre acqua o una reazione di riduzione a due elettroni per formare perossido di idrogeno. Più il catalizzatore è selettivo per la reazione a quattro elettroni, meglio è.
Hanno scoperto che l'NrGO che è stato trattato con dietil etere ha mostrato il miglior potenziale eccessivo, potenziale di semionda, e valori di selettività rispetto all'essiccato sotto vuoto, trattato con etanolo, e fogli di ossido di grafene non trattati. Martinez, et al. ha riferito che questa è la più alta reattività di riduzione dell'ossigeno fino ad oggi per i catalizzatori NrGO in mezzi acidi.
Questa ricerca fornisce informazioni preziose su come l'acqua intercalata influisce sull'attività catalitica dei nanofogli di ossido di grafene. Secondo il dottor Gautam Gupta, ricercatore principale in questo studio, questo studio è importante per le celle a combustibile con membrana a scambio protonico perché richiedono condizioni acide. Alla domanda sulle implicazioni della sua ricerca, Il dottor Gupta ha detto, "Questo è il primo rapporto che enfatizza il ruolo chiave dell'acqua nella catalisi e la ricerca ha implicazioni significative nella progettazione di materiali 2D come i dichalcogenuri di metalli di transizione per applicazioni energetiche".
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