Recentemente, ricercatori della Tsinghua University, Queen Mary University di Londra, e Istituto di ricerca sui metalli, Accademia cinese delle scienze, hanno riportato un promettente catalizzatore di grafene ottenuto da riso appiccicoso, e ha rivelato l'importanza critica dei difetti topologici sia sperimentalmente che teoricamente.

"L'elettrocatalisi della reazione di riduzione/evoluzione dell'ossigeno (ORR/OER) è il problema centrale di alcuni sistemi energetici di prossima generazione, come le celle a combustibile, batterie metallo-aria e così via, " ha affermato il Prof. Qiang Zhang del Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Tsinghua. "I materiali nanocarbonici privi di metalli sono stati studiati intensamente come catalizzatori ORR/OER, per la loro notevole attività, alta conducibilità e flessibilità, la struttura sintonizzabile e la chimica di superficie, facile preparazione, e redditività economica».

Però, fino ad ora, gli esatti siti attivi nei materiali di nanocarbonio e i loro ruoli specifici durante l'ORR e l'OER rimangono sfuggenti e controversi. Inoltre, Per l'applicazione pratica sono ancora necessari metodi convenienti e scalabili per ottenere catalizzatori eccellenti.

"Abbiamo proposto una nuova maglia di grafene con drogaggio di azoto sintonizzabile e difetti topologici, e fabbricato tramite la carbonizzazione diretta di un composito ternario con riso appiccicoso, melamina, e Mg(OH) ₂ modelli." ha detto Cheng Tang, un dottorato di ricerca studente della Tsinghua University e primo autore. "Poi inaspettatamente, un'eccellente prestazione ORR superiore al Pt/C sia in termini di attività che di stabilità, e l'attività OER comparabile con Ir/C è ottenuta con un gap di sovratensione basso di 0,90 V, rendendolo uno dei migliori bifunzionali, catalizzatori privi di metalli mai riportati."

Rispetto ad altri campioni, hanno scoperto che i difetti topologici nei bordi del grafene sembrano essere più importanti del drogaggio con azoto per una maggiore attività. "È diverso dai risultati precedenti, ma importante per una comprensione approfondita delle origini dell'attività dei catalizzatori di nanocarbonio, " ha detto il prof. Zhang.

I calcoli della teoria della funzione di densità sono stati condotti per chiarire i risultati sperimentali. È stato dimostrato che le frazioni drogate con N presentano un potenziale eccessivo più elevato rispetto ai nanonastri di grafene incontaminati, ma quelle parti con difetti dell'anello a cinque o sette atomi di carbonio mostrano un'attività potenziata. Si trova che una configurazione priva di azoto con anelli di carbonio pentagono ed ettagono adiacenti mostra il sovrapotenziale più basso sia per l'ORR che per l'OER.

"Questo lavoro fornisce nuove informazioni sulle origini dell'attività elettrocatalitica dell'ossigeno per gli elettrocatalizzatori di nanocarbonio privi di metalli, " C. Tang ha spiegato. "L'importanza dei difetti topologici, oltre ai siti indotti dal drogaggio nei materiali di nanocarbonio drogati con eteroatomi è chiarito verso una promettente catalisi ORR/OER".

Dopo il confronto sistematico dei rapporti precedenti, Il prof. Zhang e collaboratori hanno proposto che diversi siti attivi, come droganti, bordi e difetti, generare effettivamente un'attività ORR promettente per materiali nanocarbonici privi di metalli mediante l'analoga modifica delle strutture degli elettroni, portando a chemisorbimento intermedio ottimizzato e trasferimento di elettroni facilitato.

Tale comprensione sincretica dovrebbe contribuire a ulteriori ricerche. "Riteniamo che il drogaggio specifico dell'eteroatomo ai bordi difettosi alteri in modo più efficace le strutture degli elettroni e raggiunga attività ORR ottimali per gli elettrocatalizzatori privi di metallo".