Detectivewerk van chemici van Rice University heeft een misleiding in grafeenkatalysatoren gedefinieerd die, tot nu, heeft de beschrijving getrotseerd.

Grafeen is uitgebreid getest als vervanging voor duur platina in toepassingen zoals brandstofcellen, waar het materiaal de zuurstofreductiereactie (ORR) katalyseert die essentieel is om chemische energie om te zetten in elektrische energie.

Omdat grafeen, de atoomdikke vorm van koolstof, is niet van nature metaalachtig, onderzoekers zijn verbijsterd door zijn katalytische activiteit bij gebruik als kathode.

Vraag me niet meer af, zei Rice-chemicus James Tour en zijn bemanning, die hebben ontdekt dat sporen van mangaanverontreiniging van grafietprecursoren of -reagentia zich in het grafeenrooster verbergen. Onder de juiste omstandigheden, die metalen stukjes activeren de ORR. Tour zei dat ze ook inzicht geven in hoe ultradunne katalysatoren zoals grafeen kunnen worden verbeterd.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Koolstof .

Omdat het contrast tussen koolstof- en mangaanatomen zo gering is, sporenatomen van de verontreinigingen kunnen niet worden gezien met traditionele karakteriseringstechnieken zoals röntgendiffractie en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS).

"Labs hebben 'metaalvrije' grafeenkatalysatoren gemeld, en het bewijs dat ze hebben verzameld kan gemakkelijk worden geïnterpreteerd om aan te tonen dat, " zei Tour. "In feite, de gereedschappen die ze gebruikten waren gewoon niet gevoelig genoeg om de mangaanatomen te laten zien."

Een gevoeliger instrument, inductief gekoppelde plasma massaspectrometrie (ICP-MS), zag duidelijk de indringers tussen de monsters gemaakt door het Rice-lab.

Met stikstof gedoteerde grafeentestmonsters werden gereduceerd van grafeenoxide en vervolgens één tot zes keer met zuur gewassen. Bij elke wasbeurt de ICP-MS-scan toonde minder mangaanatomen en detecteerde er geen in grafeenmonsters die zes keer waren gewassen. Bij de vijfde wasbeurt, de katalytische activiteit veranderde totaal en toonde aan dat de eerste activiteit te wijten was aan die resterende metaalatomen.

Het laboratorium meldde dat er geen mangaanatomen werden waargenomen in dezelfde monsters met behulp van conventionele analytische hulpmiddelen, inclusief XPS of transmissie-elektronenmicroscopie.

De onderzoekers karakteriseerden de ORR-activiteit van de monsters en ontdekten dat tweemaal gewassen stikstof-grafeen het meest effectief was. Deze monsters hadden de neiging om enkele atomen mangaan in de grafeenstructuur op te nemen, die volledige reductie van zuurstof mogelijk maakte via een proces met vier elektronen waarbij vier elektronen worden overgebracht naar zuurstofatomen, meestal van waterstof.

"In een proces met vier elektronen, zuurstof wordt gereduceerd tot water of hydroxide, " zei Rice afgestudeerde student Ruquan Ye, hoofdauteur van de krant. "Echter, peroxide wordt gevormd in een proces met twee elektronen, wat resulteert in een lagere diffusie-beperkte stroomdichtheid en gevaarlijke reactieve zuurstofsoorten genereert." Ye zei dat zonder metaal, de ORR in grafeen is veel minder efficiënt.

Tour zei dat de resultaten zouden moeten leiden tot onderzoek naar de rol van sporenmetalen in andere materialen waarvan wordt aangenomen dat ze metaalvrij zijn.

"Katalysatoren met één atoom kunnen zich verstoppen tussen grafeen, en hun activiteit is diepgaand, " zei hij. "Dus wat soms aan grafeen is toegeschreven, was in werkelijkheid het enkele metaal dat in het grafeenoppervlak was begraven. Grafeen is op zich goed, maar in deze gevallen het werd gemaakt om er nog beter uit te zien door deze verstekelingen met één metaalatoom."

Co-auteurs zijn afgestudeerde studenten Luqing Wang en Yilun Li en Boris Yakobson, de Karl F. Hasselmann hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering en een hoogleraar scheikunde; Rubén Mendoza-Cruz van Rice en de Universiteit van Texas in San Antonio; Miguel José Yacamán van de Universiteit van Texas in San Antonio; en Juncai Dong, Peng-Fei An en Dongliang Chen van de Chinese Academie van Wetenschappen, Peking.

Het onderzoek werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research, het bureau voor marine-onderzoek, het Nationaal Centrum voor Onderzoeksbronnen, de National Science Foundation-Partnerships for Research and Education in Materials, het National Institutes of Health's National Institute on Minority Health and Health Disparities, de National Natural Science Foundation of China en de Jianlin Xie Foundation van het Institute of High Energy Physics, Chinese Academie van Wetenschappen.