Un gruppo di ricerca internazionale ha migliorato la capacità del grafene di catalizzare la reazione di evoluzione dell'idrogeno, che rilascia idrogeno a seguito del passaggio di una corrente elettronica attraverso l'acqua. Hanno progettato un elettrocatalizzatore di grafene previsto matematicamente, e ha confermato le sue prestazioni utilizzando la microscopia elettrochimica ad alta risoluzione e la modellazione computazionale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Science.

Akichika Kumatani dell'Istituto avanzato per la ricerca sui materiali dell'Università di Tohoku (AIMR), Tatsuhiko Ohto dell'Università di Osaka, Yoshikazu Ito dell'Università di Tsukuba e colleghi in Giappone e Germania hanno scoperto che l'aggiunta di droganti di azoto e fosforo attorno ai bordi ben definiti dei fori di grafene ha migliorato la sua capacità di elettrocatalizzare la reazione di evoluzione dell'idrogeno.

I catalizzatori a base di grafene hanno un vantaggio rispetto a quelli a base di metallo in quanto sono stabili e controllabili, rendendoli adatti all'uso nelle celle a combustibile, dispositivi di accumulo e conversione dell'energia, e nell'elettrolisi dell'acqua. Le loro proprietà possono essere migliorate apportando più modifiche simultanee alle loro strutture. Ma gli scienziati devono essere in grado di vedere questi cambiamenti su scala nanometrica per capire come lavorano insieme per promuovere la catalisi.

Kumatani e i suoi colleghi hanno utilizzato la microscopia a scansione elettrochimica delle cellule (SECCM) di recente sviluppo per osservazione sub-microscala delle reazioni elettrochimiche che si verificano quando la corrente passa attraverso l'acqua durante l'elettrolisi. Ha inoltre permesso loro di analizzare in che modo i cambiamenti strutturali negli elettrocatalizzatori di grafene influenzano le loro attività elettrochimiche. Questo tipo di osservazione non è possibile utilizzando approcci convenzionali.

Il team ha sintetizzato un elettrocatalizzatore costituito da un foglio di grafene pieno di fori previsti matematicamente con bordi ben definiti. I bordi attorno ai fori aumentano il numero di siti attivi disponibili per le reazioni chimiche. Hanno drogato il foglio di grafene aggiungendo atomi di azoto e fosforo attorno ai bordi dei fori. L'elettrocatalizzatore a base di grafene è stato quindi utilizzato per migliorare il rilascio di idrogeno durante l'elettrolisi.

Utilizzando SECCM, il team ha scoperto che il loro elettrocatalizzatore di grafene ha migliorato significativamente la formazione di una corrente in risposta al rilascio di energia durante l'elettrolisi. I loro calcoli computazionali suggeriscono che l'aggiunta di droganti di azoto e fosforo migliora il contrasto delle cariche positive e negative sugli atomi che circondano i bordi dei fori, aumentando la loro capacità di trasportare una corrente elettrica.

Gli elettrocatalizzatori di grafene bucato drogati con azoto e fosforo hanno funzionato meglio di quelli drogati con uno solo dei due elementi chimici.

"Questi risultati aprono la strada all'ingegneria a livello atomico della struttura marginale del grafene negli elettrocatalizzatori a base di grafene attraverso la visualizzazione locale delle attività elettrochimiche, " concludono i ricercatori.