Een Koreaans onderzoeksteam van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Zuid-Korea, ontwikkelde een hoogwaardige en stabiele metaalvrije elektrokatalysator voor ORR en het onderzoekswerk werd gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift, nanoschaal door de Royal Society of Chemistry (RSC). (Titel:"Covalente functionalisering op basis van heteroatoom gedoteerd grafeen nanoblad als een metaalvrije elektrokatalysator voor zuurstofreductiereactie")

De beperkte beschikbaarheid van fossiele brandstoffen en de toenemende vraag naar energie hebben geleid tot intensief onderzoek naar energieconversie- en opslagsystemen. Brandstofcellen hebben veel aandacht gekregen bij de vele keuzes van energieopslagsystemen, vanwege hun opmerkelijke potentiële energiedichtheid en milieuproblemen.

Elektrokatalysatoren voor zuurstofreductie zijn cruciale componenten die de prestaties van brandstofcellen drastisch kunnen verbeteren, die worden gezien als de kracht voor toekomstige elektrische voertuigen. Voor zuinigere brandstofcellen, ingenieurs hebben snelle en efficiënte elektrokatalysatoren nodig die waterstofgas splitsen om elektriciteit te maken.

Het UNIST-onderzoeksteam onder leiding van Prof. Byeong-Su Kim van de Interdisciplinaire School of Green Energy, EENHEID, presenteerde een uniek ontwerp en karakterisering van nieuwe heteroatoom-gedoteerde grafeen nanosheets bereid door de covalente functionalisering van verschillende kleine organische moleculen met een daaropvolgende thermische behandeling. Dit werk werd voorgesteld en uitgevoerd door student Minju Park van de Interdisciplinaire School of Green Energy, EENHEID.

Er zijn veel beschikbare methoden om met stikstof gedoteerd (N-gedoteerd) grafeen te bereiden. Deze benaderingen introduceren met succes stikstofatomen binnen het grafeenkader. Echter, velen van hen vereisen toxische gasprecursoren, en zijn niet in staat om de mate van doping en het type stikstoffunctionaliteit te controleren.

Hierin presenteerde het UNIST-onderzoeksteam een ​​eenvoudige benadering voor chemische functionalisering naar heteroatoom-dope grafeen nanosheets met kleine organische moleculen voor gebruik als elektrokatalysatoren voor de zuurstofreductiereactie.

Hier is hoe het materiaal is bereid:Grafietoxidepoeder werd bereid uit grafietpoeder met oxidatie en geëxfolieerd om een ​​bruine dispersie van grafeenoxide (GO) te geven onder ultrasoonapparaat. Grafeenoxide nanosheets hebben verschillende functionele groepen aan de rand zoals carbonzuur (-COOH), hydroxyl (-OH), en epoxy (-C-O-C).

Toen de GO-suspensie reageerde met aminen in aanwezigheid van 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC), een in water oplosbaar carbodiimide werd gewoonlijk verkregen als het hydrochloride, carboxylgroep in GO reageerde met amine en vormde een amidegroep. Het onderzoeksteam definieerde het als 'NGOn', dat was chemisch gefunctionaliseerd grafeenoxide. NGOn-suspensies werden gedurende 1 uur bij 800 uitgegloeid onder een argonatmosfeer met een buisoven, en stikstof werd gedoteerd in de grafeenoxide nanosheets met het verwijderen van zuurstof genaamd 'NRGOn'.

Verder toonde het onderzoeksteam van UNIST aan hoe de elektrochemische prestatie kan worden verbeterd door de mate en configuraties van de stikstofdotering te variëren. Verder, ze breidden de benadering uit naar de introductie van andere heteroatomen, zoals boor en zwavel, in de grafeen nanosheet.

"Met stikstof gedoteerde grafeen nanosheets vertoonden superieure stabiliteit in vergelijking met commerciële Pt/C-katalysatoren. Deze benadering is ook met succes uitgebreid naar andere heteroatomen zoals boor en zwavel op de grafeen nanosheets, ' zei Minjupark.

"We denken dat deze studie kansen en inzichten zal bieden voor de verdere ontwikkeling van hybride elektrokatalysatoren, " zei prof. Kim, toekomstige onderzoeksmogelijkheden te presenteren.