Katalysatoren zijn van het grootste belang om een ​​hoge efficiëntie en economische winst te behalen voor de meeste heterogene reacties. Omdat katalytische reactie alleen plaatsvindt wanneer reactanten de actieve plaatsen bereiken, deze actieve plaatsen moeten maximaal worden blootgesteld aan het oppervlak in een katalysator met een hoog rendement.

Op basis van deze overweging, onderzoekers van de Tsinghua University in China hebben nu een uniek coaxiaal koolstofnanokabelmateriaal aangetoond met een ongerepte koolstofnanobuis (CNT) als de kern en een met stikstof gedoteerde gerimpelde koolstoflaag als de schaal. De coaxiale nanokabels, aangeduid als CNT@NCNT, zijn verrijkt met N doteringsatomen aan het oppervlak - dat wil zeggen, de door N-opname geïnduceerde actieve plaatsen worden blootgesteld aan het oppervlak. Het team rapporteerde hun onderzoek in Geavanceerde functionele materialen , nummer 38, deel 24.

"Koolstof nanobuisjes, een superster functioneel materiaal, hebben sinds de vondst in 1991 veel aandacht getrokken. de opname van hetero-atomen in het CNT-skelet maakt de gedoteerde CNT's met verbeterde chemische reactiviteit en sequentieel goede katalytische prestaties, "vertelde Dr. Qiang Zhang aan Phys.Org, "Voor de meeste N-gedoteerde CNT's (NCNT's) die direct worden gesynthetiseerd door groei van chemische dampafzetting en chemische doping, de ingebouwde N-atomen verdelen zich gelijkmatig. Daarom, de actieve plaatsen geïnduceerd door de doteringsatomen in de binnenwanden zijn nauwelijks toegankelijk en droegen bijgevolg nauwelijks bij aan de katalytische activiteit."

"Daarnaast, de bamboe-achtige structuur of de cup-stacked-structuur van de routinematige NCNT's maakt een complexe pakking van grafeenlagen, wat het snelle elektronentransport langs de grafeenlagen belemmert. Bijgevolg, het is zeer wenselijk voor een efficiënte NCNT-elektrokatalysator om N-atomen selectief op het oppervlak in koolstofnanobuizen op te nemen om de actieve plaatsen volledig bloot te leggen, terwijl de binnenste continue CNT-wanden goed bewaard blijven."

In dit verband, Gui Li Tian, een afgestudeerde student en de eerste auteur van het papier, ontwikkelde een gemakkelijke, niet-vloeibare fase methode om de CNT@NCNT coaxiale nanokabels te fabriceren. "Een dunne N-bevattende turbostratische koolstoflaag kan epitaxiaal groeien op de buitenwanden van ongerepte CNT's door CVD van N-bevattende verbindingen, resulterend in de coaxiale nanokabels gevormd door de cilindrische CNT-wanden en de gerimpelde N-gedoteerde lagen, ", zegt Tian. "De doteerstof-N-atomen zijn verrijkt aan het oppervlak van de als gefabriceerde nanokabels. En de binnenmuren bleven intact zoals verwacht, wat leidt tot een hoge elektrische geleidbaarheid van 3,3 S cm-1. Door zowel de voordelen van aan het oppervlak verrijkte doteerstof N-atomen als doorlopende binnenwanden te combineren, CNT@NCNT bezit superieure elektrokatalytische activiteit. "

"Vergeleken met de routinematige bulk-gedoteerde NCNT's op vergelijkbaar dopingniveau, de CNT@NCNT-katalysator zorgde voor een hogere stroomdichtheid en een lager overpotentiaal, zowel voor zuurstofreductie als voor evolutiereactie."

Prof. Fei Wei heeft toegevoegd, "De ingebouwde N-atomen zijn geconcentreerd aan het oppervlak van CNT@NCNT. Daarom de actieve plaatsen die door de doteringsatomen worden geïnduceerd, zijn beter toegankelijk voor reactanten. Verder, de polariteit en hydrofilie van het koolstofmateriaal zijn ook verbeterd, die massaoverdracht op het grensvlak tussen elektrodemateriaal en elektrolyt vergemakkelijkte. In aanvulling, hoge elektrische geleidbaarheid toegeschreven aan de intacte binnenwanden profiteren van snelle ladingsoverdracht van de N-gedoteerde lagen naar de CNT-steigers. Als resultaat, CNT@NCNT biedt superieure elektrokatalytische prestaties in vergelijking met routinematige NCNT's."

"Naast superieure katalysatoren voor zuurstofelektrochemie, CNT@NCNT coaxiale nanokabels zijn ook een goed platform voor volledige blootstelling van actieve sites voor robuuste interfaces van hoogwaardige composieten, evenals efficiënte katalysatoren en/of metalen nanodeeltjesdragers voor selectieve oxidatiereacties en biosensoren, enz." zei Prof. Dang-Sheng Su van het Institute of Metal Research, Chinese Wetenschapsacademie, in Shenyang, China, een co-auteur van het artikel.

Omdat de oppervlakte-hetero-junctie-nanostructuren niet beperkt zijn tot CNT's, de onderzoekers voorzien een nieuwe tak van chemie die zich ontwikkelt op het gebied van volledige blootstelling van actieve sites via de 3D heterogene systemen.