Wetenschappers aan de Tsinghua University, China, en Nanyang Technologische Universiteit, Singapore, hebben een intrinsiek-disperse nanokoolstofarchitectuur ontworpen die N-gedoteerd grafeen en SWCNT's hybridiseert, die kan dienen als een superieure bifunctionele elektrokatalysator voor zowel zuurstofreductie- als evolutiereacties.

Vandaag de dag, hernieuwbare energiesystemen met hoge capaciteit, zoals brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen, zijn zeer gewenst om de samenleving duurzaam van brandstof te voorzien. "Als de belangrijkste elektrodereacties voor dergelijke energiesystemen, ORR en OER, afkorting voor zuurstofreductie en zuurstofontwikkelingsreactie, zijn multi-elektronproces en kinetisch traag. Bijgevolg, hoogrenderende elektrokatalysatoren voor deze reacties zijn nodig om de reactiesnelheid te verhogen, " zegt Dr. Qiang Zhang, een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische Technologie, Tsinghua universiteit. "Ondanks de hoge katalytische activiteit, de conventionele edelmetaalkatalysatoren zoals Pt, Ru, en Ir, hebben last van de hoge kosten en de slechte stabiliteit. Als resultaat, wetenschappers zijn op zoek naar vervangende katalysatoren van niet-edele metalen en zelfs niet-metalen materialen. Heteroatoom-gedoteerde nanokoolstofmaterialen bieden veel verbeterde reactiviteit en katalytische prestaties. Onze groep onderzocht de in situ groei van N-gedoteerde grafeen- en SWCNT-hybriden en hun superieure elektrokatalytische prestaties voor ORR en OER."

"De gelaagde dubbele hydroxiden werden gebruikt als de bifunctionele katalysator voor de gelijktijdige groei van grafeen en SWCNT's, het vormen van het driedimensionale onderling verbonden netwerk, "Prof. Fei Wei vertelt" Phys.org .

Werkelijk, De groep van Zhang heeft veel onderzoek gedaan naar de synthese van hiërarchische nanokoolstofmaterialen met de gelaagde dubbele hydroxiden als katalysatoren en heeft grote vooruitgang geboekt en veel uitstekende papieren geproduceerd. "Wat betreft de twee typische nanokoolstofmaterialen, 1D CNT's en 2D grafeen nanosheets, beide hebben de neiging om te aggregeren of op elkaar te stapelen vanwege de sterke van der Waals-krachten. Dat belemmert het volledige gebruik van de actieve plaatsen voor katalytische reacties. In feite, de integratie van grafeen en CNT's in een hybride materiaal is een veelbelovende strategie om de verspreiding van grafeen en CNT's te verbeteren, om de voordelen van zowel grafeen als CNT's te erven, en om een ​​efficiënt en effectief elektronisch en thermisch geleidend 3D-netwerk te verkrijgen, " zegt Qiang. "De van FeMoMgAl LDH's afgeleide bifunctionele katalysatoren ingebed met thermisch stabiele Fe NP's dienden niet alleen als een efficiënte katalysator voor de groei van N-gedoteerde SWCNT's, maar leverde ook een lamellair substraat voor de afzetting van N-gedoteerde grafeen op een sjabloon. Daarom, de gelijktijdige groei van N-gedoteerde grafeen en SWCNT's kan worden bereikt met de covalente CC-bindingsverbinding."

Op basis van dit begrip, Gui Li Tian, een afgestudeerde student en de eerste auteur, ontwikkelde een in-situ chemische dampafzettingsstrategie voor de grafeen/SWCNT hybride synthese. "N-gedoteerde grafeen en SWCNT's zijn intrinsiek gedispergeerd in deze nieuwe koolstofarchitectuur en de N-bevattende functionele groepen zijn goed verspreid in de geleidende scaffold. De zoals gefabriceerde hybriden hebben een groot oppervlak, hoge porositeit en ook hoge grafitische graad. Al deze karakters maken de N-gedoteerde grafeen/SWCNT-hybriden met een hoge ORR-activiteit, veel beter dan twee samenstellende componenten en zelfs vergelijkbaar met de commerciële 20 gew.% Pt/C-katalysatoren met een veel betere duurzaamheid en weerstand tegen crossover-effect, " zegt Gui-Li. Bovendien, ze toonden aan dat een dergelijke nieuwe koolstofarchitectuur ook elektrokatalytisch actief is voor OER.

"Dit gaf aan dat het hybride materiaal een veelbelovende bifunctionele elektrokatalysator is voor de regeneratieve brandstofcellen en oplaadbare metaal-luchtbatterijen met zuurstofelektrochemie, " zegt Dr. Dingshan Yu van de Nanyang Technological University, Singapore.

"We voorzien dat in vergelijking met willekeurig grafeen en CNT's, er kunnen meer potentiële toepassingen ontstaan ​​als de verbeterde elektrische en optische eigenschappen van gedoteerde grafeen / CNT-hybriden volledig worden benut, " zegt Qiang. Bovendien, dit werk biedt ook een structureel platform voor het ontwerp van 3D-verbindingsmaterialen met buitengewone elektronenroutes en een afstembaar oppervlak/interface dat kan worden gebruikt in gebieden, zoals katalyse, scheiding, medicijnafgifte, omzetting en opslag van energie.