Il lavoro investigativo dei chimici della Rice University ha definito un inganno nei catalizzatori di grafene che, fino ad ora, ha sfidato la descrizione.

Il grafene è stato ampiamente testato come sostituto del costoso platino in applicazioni come celle a combustibile, dove il materiale catalizza la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) essenziale per trasformare l'energia chimica in energia elettrica.

Perché il grafene, la forma spessa di un atomo di carbonio, non è naturalmente metallico, i ricercatori sono rimasti sconcertati dalla sua attività catalitica quando viene utilizzata come catodo.

Non mi chiedo più, disse il chimico della Rice James Tour e il suo equipaggio, che hanno scoperto che tracce di contaminazione da manganese da precursori o reagenti di grafite si nascondono nel reticolo del grafene. Nelle giuste condizioni, quei pezzi di metallo attivano l'ORR. Tour ha affermato che forniscono anche informazioni su come i catalizzatori ultrasottili come il grafene possono essere migliorati.

La ricerca appare sulla rivista Carbonio .

Poiché il contrasto tra gli atomi di carbonio e manganese è così lieve, gli atomi in traccia dei contaminanti non possono essere visti con le tradizionali tecniche di caratterizzazione come la diffrazione dei raggi X e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS).

"I laboratori hanno segnalato catalizzatori di grafene 'senza metalli', e le prove che hanno raccolto potrebbero essere facilmente interpretate per dimostrare che, " Tour ha detto. "In effetti, gli strumenti che stavano usando semplicemente non erano abbastanza sensibili da mostrare gli atomi di manganese".

Uno strumento più sensibile, spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS), ha visto chiaramente gli intrusi tra i campioni realizzati dal laboratorio Rice.

I campioni di prova di grafene drogato con azoto sono stati ridotti dall'ossido di grafene e quindi lavati con acido da una a sei volte. Ad ogni lavaggio, la scansione ICP-MS ha mostrato meno atomi di manganese e non ne ha rilevato nessuno nei campioni di grafene lavati sei volte. Al quinto lavaggio, l'attività catalitica cambiò totalmente e mostrò che la precedente attività era stata dovuta a quegli atomi di metallo residuo.

Il laboratorio ha riportato che non sono stati osservati atomi di manganese in nessuno degli stessi campioni utilizzando strumenti analitici convenzionali, compreso XPS o microscopia elettronica a trasmissione.

I ricercatori hanno caratterizzato l'attività ORR dei campioni e hanno scoperto che l'azoto-grafene lavato due volte era più efficace. Questi campioni tendevano a incorporare singoli atomi di manganese nella struttura del grafene, che ha facilitato la completa riduzione dell'ossigeno attraverso un processo a quattro elettroni in cui quattro elettroni vengono trasferiti ad atomi di ossigeno, solitamente dall'idrogeno.

"In un processo a quattro elettroni, l'ossigeno viene ridotto ad acqua o idrossido, ", ha detto lo studente laureato alla Rice Ruquan Ye, l'autore principale del documento. "Però, il perossido si forma in un processo a due elettroni, che si traduce in una densità di corrente limitata dalla diffusione inferiore e genera pericolose specie reattive dell'ossigeno." Ye ha detto che senza metallo, l'ORR nel grafene è molto meno efficiente.

Tour ha affermato che i risultati dovrebbero portare a un'indagine sul ruolo dei metalli in tracce in altri materiali ritenuti privi di metalli.

"I catalizzatori a singolo atomo possono nascondersi tra il grafene, e la loro attività è profonda, " ha detto. "Quindi ciò che a volte è stato attribuito al grafene era in realtà il singolo metallo sepolto nella superficie del grafene. Il grafene è buono di per sé, ma in questi casi, era stato reso ancora migliore da questi clandestini a singolo atomo di metallo."

I coautori sono gli studenti laureati Luqing Wang e Yilun Li e Boris Yakobson, il Professore di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria Karl F. Hasselmann e un professore di chimica; Rubén Mendoza-Cruz di Rice e l'Università del Texas a San Antonio; Miguel José Yacamán dell'Università del Texas a San Antonio; e Juncai Dong, Peng-Fei An e Dongliang Chen dell'Accademia cinese delle scienze, Pechino.

La ricerca è stata supportata dall'Air Force Office of Scientific Research, l'Ufficio di ricerca navale, il Centro nazionale per le risorse di ricerca, la National Science Foundation-Partnerships for Research and Education in Materials, l'Istituto nazionale per la salute delle minoranze e le disparità sanitarie del National Institutes of Health, la Fondazione Nazionale di Scienze Naturali della Cina e la Fondazione Jianlin Xie dell'Istituto di Fisica delle Alte Energie, Accademia cinese delle scienze.