Onlangs, onderzoekers van de Tsinghua University, Queen Mary Universiteit van Londen, en Instituut voor Metaalonderzoek, Chinese Wetenschapsacademie, hebben een veelbelovende grafeenkatalysator gerapporteerd die is verkregen uit kleefrijst, en onthulde het cruciale belang van topologische defecten, zowel experimenteel als theoretisch.

"Zuurstofreductie/evolutiereactie (ORR/OER) elektrokatalyse is het kernprobleem van sommige energiesystemen van de volgende generatie, zoals brandstofcellen, metaal-lucht batterijen enzovoort, " zei Prof. Qiang Zhang van de afdeling Chemische Technologie, Tsinghua universiteit. "Metaalvrije nanokoolstofmaterialen zijn intensief onderzocht als ORR/OER-katalysatoren, vanwege hun opmerkelijke activiteit, hoge geleidbaarheid en flexibiliteit, de afstembare structuur en oppervlaktechemie, gemakkelijke voorbereiding, en economische levensvatbaarheid."

Echter, tot nu toe, de exacte actieve plaatsen in nanokoolstofmaterialen en hun specifieke rol tijdens ORR en OER blijven ongrijpbaar en controversieel. Aanvullend, betaalbare en schaalbare methoden om uitstekende katalysatoren te verkrijgen zijn nog steeds vereist voor praktische toepassing.

"We hebben een nieuw grafeengaas voorgesteld met afstembare stikstofdoping en topologische defecten, en vervaardigd via de directe carbonisatie van een ternair composiet met kleefrijst, melamine, en Mg(OH) ₂ sjablonen." zei Cheng Tang, een doctoraat student van Tsinghua University en de eerste auteur. "Toen onverwachts, een uitstekende ORR-prestatie die superieur is aan Pt/C in termen van zowel activiteit als stabiliteit, en OER-activiteit vergelijkbaar met Ir/C wordt verkregen met een lage overpotentiaalafstand van 0,90 V, waardoor het een van de beste bifunctionele, metaalvrije katalysatoren ooit gerapporteerd."

In vergelijking met andere monsters, ze ontdekten dat de topologische defecten in grafeenranden belangrijker lijken te zijn dan de stikstofdoping voor hogere activiteit. "Het is anders dan eerdere resultaten, maar belangrijk voor een grondig begrip van de activiteitsoorsprongen van nanokoolstofkatalysatoren, " zei prof. Zhang.

Om de experimentele resultaten te verduidelijken werden berekeningen van de dichtheidsfunctietheorie uitgevoerd. Het is aangetoond dat N-gedoteerde delen een hogere overpotentiaal hebben dan ongerepte grafeen-nanoribbons, maar die groepen met vijf-koolstof- of zeven-koolstofringdefecten vertonen verhoogde activiteit. Een stikstofvrije configuratie met aangrenzende pentagon- en heptagon-koolstofringen blijkt de laagste overpotentiaal te vertonen voor zowel ORR als OER.

"Dit werk biedt nieuwe inzichten in de oorsprong van de elektrokatalytische activiteit van zuurstof voor metaalvrije elektrokatalysatoren van nanokoolstof, C. Tang legde uit. "Het belang van topologische defecten, naast de door doping geïnduceerde plaatsen in de heteroatoom-gedoteerde nanokoolstofmaterialen wordt opgehelderd in de richting van veelbelovende ORR / OER-katalyse."

Na systematische vergelijking van eerdere rapporten, Prof. Zhang en collega's stelden voor dat verschillende actieve sites, zoals doteringen, randen en gebreken, daadwerkelijk veelbelovende ORR-activiteit genereren voor metaalvrije nanokoolstofmaterialen door de analoge modificatie van elektronenstructuren, wat leidt tot geoptimaliseerde intermediaire chemisorptie en vergemakkelijkte elektronenoverdracht.

Een dergelijk syncretisch begrip zou moeten bijdragen aan verder onderzoek. "We believe that specific heteroatom doping at defective edges most effectively alter electron structures and achieve optimal ORR activities for metal-free electrocatalysts."