De dreigende fossiele-energiecrisis en ernstige milieu- en klimaatproblemen vragen dringend om duurzame energiesystemen en technologieën voor energieopslag van de volgende generatie. In plaats van een traditionele "koolstofcyclus" op basis van fossiele energie, de "waterstofkringloop" is ontstaan ​​en kan een veelbelovend alternatief zijn. Met een waterscheidingsinrichting, H2 kan worden opgewekt uit water door elektriciteit of zonne-energie, en energietransformaties tussen elektrische/zonne- en chemische energie in oplaadbare batterijen. Echter, het kernprobleem van watersplitsing, zuurstof evolutie reactie (OER) (4OH ^- —> 2H ₂ O + O ₂ + 4e ^- , in de basis), is een kinetisch trage halfreactie, die een hoge overpotentiaal vereist en de ontwikkeling van watersplitsing belemmert.

Onlangs, een onderzoeksgroep uit China, geleid door Prof. Qiang Zhang aan de Tsinghua Universiteit, heeft een nieuwe grafeen/metaalhydroxide-composiet ontwikkeld met superieure zuurstofontwikkelingsactiviteit. Dit werk is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Aan de ene kant, grafeen is een materiaal dat ultrahoge elektrische geleidbaarheid vertoont, groot oppervlak, en afstembare 3D-structuren, wat uitstekend is voor heterogene elektrokatalyse. Echter, de intrinsieke activiteit van grafeen is ongewenst. Anderzijds, NiFe gelaagde dubbele hydroxiden (NiFe LDH's), met opmerkelijke katalytische activiteit, hoge stabiliteit, aarde-overvloedige en milieuvriendelijke karakters, worden beschouwd als de meest veelbelovende niet-edelmetaalkatalysatoren.

"Daarom, de fijne controle van NiFe LDH-hybridisatie in een specifiek grafeensubstraat om een ​​verhoogd elektrochemisch actief oppervlak (ECSA) te verkrijgen, volledig belichte actieve sites, en een optimale grensvlakovergang is het meest veelbelovende recente onderwerp voor superieure katalyse van zuurstofontwikkeling en praktische toepassing, " zegt prof. Qiang Zhang.

In dit werk, de architectuur van grafeen/NiFe LDH-composieten is geïnspireerd op de hiërarchische structuur van granaatappel. Door een met stikstof gedoteerd mesoporeus grafeenraamwerk te gebruiken als substraat voor de in situ groei en decoratie van NiFe LDH's, de resulterende LDH's vertonen een uniforme nanogrootte en dispersie, en een sterk grensvlakpaar met het geleidende substraat.

"Het belangrijkste probleem voor de materiaalfabricage is de topologie-ondersteunde en ruimtelijk beperkte groeistrategie vanwege het grafeen." zegt Cheng Tang, de eerste auteur van dit werk. "De stikstofdoterings- en topologie-geïnduceerde defecten van grafeen dragen bij aan de adsorptie en verankering van metaalkationen en vervolgens dienen de in-plane mesoporiën op grafeen als nano-reactoren voor ruimtelijk beperkte nucleatie en groei van NiFe LDH's, waardoor een sterke affiniteit en uniforme dispersie van het als-gegroeide NiFe LDH in nanoformaat in het mesoporeuze grafeenraamwerk wordt verkregen."

"Deze hiërarchische structuur optimaliseert de hybridisatie tussen NiFe LDH's en grafeen, " Prof. Zhang merkt op. "Het resulteert in mesoporeuze kanalen, onderling verbonden elektronensnelweg, intieme grensvlakkoppeling, onderdrukte deeltjesaggregatie, en volledig blootgestelde actieve sites."

Verdere katalysemetingen laten zien dat dit materiaal beter presteert dan commerciële Ir/C-katalysatoren en gunstig concurreert met de best gerapporteerde alternatieven voor hoogwaardige OER-katalyse met een opmerkelijk lage Tafelhelling (~45 mV dec. ^-1 ), een aanzienlijk verminderde overpotentiaal (~337 mV vereist voor 10 mA cm ^-2 ), en verbeterde duurzaamheid in 0,10 M KOH.

Prof. Zhang en zijn team melden dat de uitstekende prestaties worden veroorzaakt door het synergetische effect van twee ideale componenten en ook door de unieke structuurkenmerken van deze nieuwe hybride. Vooruit gaan, ze zijn van plan om de samenstelling en structuur van dit soort hybride te onderzoeken en te optimaliseren, en om de structuur-eigenschap relaties en het onderliggende katalytische mechanisme vast te stellen.

"Ik geloof dat dit sterk gekoppelde complex verschillende toepassingen heeft, zoals heterogene katalyse, sensoren, energieomzetting en -opslag, en zo o, ", zegt prof. Zhang. "En nog belangrijker, de door topologie ondersteunde ontwerp- en fabricagestrategie opent nieuwe wegen en werpt licht op een nieuwe tak van geavanceerde nano-architectuurmaterialen en hybriden."