Recent onderzoek gepubliceerd in een paper in NANO door een team van onderzoekers van de Beihang University hebben een nieuw type VNQD-NG gefabriceerd als elektrokatalysator op basis van niet-edelmetaal voor zuurstofreductiereactie (ORR). De unieke structurele kenmerken van overvloedige VN-kwantumdots met de grootte van 3-6 nm, groot oppervlak en poriën op meerdere niveaus zorgen voor aanzienlijke structurele randen en defecten als actieve plaatsen, het maximaliseren van de blootgestelde actieve plaatsen en het verschaffen van voldoende elektronentransportroutes voor ORR. Dit heeft belangrijke praktische en commerciële toepassingen.

Een team van onderzoekers van de Beihang University in Peking, China heeft een nieuw type goedkope, op niet-edelmetaal gebaseerde katalysatoren gedemonstreerd als alternatief voor op platina gebaseerde katalysatoren voor zuurstofreductiereacties. In hun werk, een nieuw type vanadiumnitride-kwantumdots homogeen verankerd op met stikstof gedoteerd grafeen (aangeduid als VNQD-NG) wordt gefabriceerd door een eenvoudige hydrothermische methode en het daaropvolgende gloeiproces met ammoniak. De VNQD-NG vertoont een hoge elektrokatalytische activiteit, lange houdbaarheid en hoge selectiviteit voor ORR, superieur aan in de handel verkrijgbaar Pt-C. Hun rapport verschijnt in het komende nummer van het tijdschrift NANO .

Het ontwikkelen van geschikte elektrokatalysatoren voor ORR is belangrijk voor de praktische toepassingen van brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen vanwege de kinetische traagheid van ORR met een complex overdrachtsproces van vier elektronen. Ondanks het hoge rendement van platina (Pt) en op Pt gebaseerde legeringen voor ORR, hun hoge kosten samen met de zeldzame reserves in de natuur belemmeren grotendeels de grootschalige praktische toepassing. Daarom, het ontwikkelen van goedkope katalysatoren op basis van niet-edelmetaal als alternatief voor op Pt gebaseerde katalysatoren zijn cruciaal. Vanadiumnitriet (VN) heeft niet alleen dezelfde structuur en hoge toestandsdichtheid als die van bovenstaande overgangsmetaalnitriden, maar vertoont ook een goede corrosieweerstand en een hoge elektrische geleidbaarheid, veelbelovend als actieve elektrokatalysator voor ORR.

De zoals voorbereide VNQD-NG bezit talrijke nuldimensionale (0D) VN-kwantumdots (QD's) met de afmetingen van 3-6 nm homogeen verankerd op het oppervlak van met stikstof gedoteerd grafeen, met aanzienlijke structurele randen en defecten als actieve plaatsen voor ORR. Bovendien, de VNQD-NG nanosheets kunnen tegelijkertijd een driedimensionale (3-D) poreuze architectuur construeren om de blootgestelde actieve plaatsen te maximaliseren en voldoende elektronentransportroutes te bieden tijdens ORR. Onderzoekers voerden cyclische voltammogram (CV) metingen uit in een waterige 0,1 M KOH-oplossing om de ORR-kenmerken van VNQD-NG-monsters te onderzoeken, als gevolg van een prominente elektrokatalytische activiteit van de VNQD-NG voor zuurstofreductie. Chronoamperometrische metingen tonen aan dat er een sterke stroomrespons optreedt bij de Pt-C-katalysator wanneer 3 M methanol werd geïnjecteerd in een met zuurstof verzadigde oplossing, terwijl de VNQD-NG een stabiele stroom handhaaft zonder een duidelijke respons. Blijkbaar, de VNQD-NG hybride vertoont een hoge selectiviteit voor methanol in de alkalische elektrolyt, tolerantie voor crossover-effecten veroorzaakt door brandstofmoleculen die door het polymeermembraan dringen. Onderzoekers voerden ook metingen uit met de roterende ringschijfelektrode (RRDE) om de elektrochemische ORR-kinetiek van VNQD-NG te verifiëren, met een vergelijkbaar ORR-beginpotentieel als Pt-C-katalysator, en hoger aantal elektronenoverdracht (n) en kinetisch beperkende stroomdichtheid (Jk) dan die van commerciële Pt-C en andere niet-Pt-katalysatoren. De huidige-tijd (i?t) choronoamperometrische respons voor VNQD-NG onthult een vrij lage demping van 77 % na 30 000 s, wat verder bewijs levert dat de stabiliteit van VNQD-NG superieur is aan die van commercieel Pt-C (60 %).

VNQD-NG vertoont een hoge elektrokatalytische activiteit, hoge selectiviteit en lange houdbaarheid voor ORR, beter dan in de handel verkrijgbaar Pt-C. Deze prestaties kunnen een uitbreiding zijn van de ontwikkeling van verschillende andere 3D-kwantumdots van poreus metaalnitride op grafeen voor brede toepassingen in sensoren, katalyse, en andere elektronische apparaten.