Een internationale onderzoeksgroep heeft het vermogen van grafeen om de waterstofevolutiereactie te katalyseren verbeterd, waarbij waterstof vrijkomt als gevolg van een elektronische stroom door water. Ze ontwierpen een wiskundig voorspelde grafeen elektrokatalysator, en bevestigde zijn prestaties met behulp van elektrochemische microscopie met hoge resolutie en computermodellering. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science.

Akichika Kumatani van het Advanced Institute for Materials Research (AIMR) van de Tohoku University, Tatsuhiko Ohto van de Universiteit van Osaka, Yoshikazu Ito van de Tsukuba University en collega's in Japan en Duitsland ontdekten dat het toevoegen van stikstof- en fosfordoteringsmiddelen rond de goed gedefinieerde randen van grafeengaten het vermogen om de waterstofevolutiereactie te elektrokatalyseren verbeterde.

Op grafeen gebaseerde katalysatoren hebben een voordeel ten opzichte van op metaal gebaseerde katalysatoren omdat ze stabiel en controleerbaar zijn, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in brandstofcellen, apparaten voor energieopslag en -conversie, en bij waterelektrolyse. Hun eigenschappen kunnen worden verbeterd door meerdere gelijktijdige wijzigingen in hun structuren aan te brengen. Maar wetenschappers moeten deze veranderingen op nanoschaal kunnen zien om te begrijpen hoe ze samenwerken om katalyse te bevorderen.

Kumatani en zijn collega's gebruikten de recent ontwikkelde scanning elektrochemische celmicroscopie (SECCM) voor directe, observatie op submicroschaal van de elektrochemische reacties die plaatsvinden wanneer tijdens elektrolyse stroom door water wordt geleid. Het stelde hen ook in staat te analyseren hoe structurele veranderingen in grafeenelektrokatalysatoren hun elektrochemische activiteiten beïnvloeden. Dit type observatie is niet mogelijk met conventionele benaderingen.

Het team synthetiseerde een elektrokatalysator gemaakt van een grafeenvel vol wiskundig voorspelde gaten met goed gedefinieerde randen. De randen rond de gaten vergroten het aantal actieve plaatsen dat beschikbaar is voor het optreden van chemische reacties. Ze hebben de grafeenplaat gedoteerd door stikstof- en fosforatomen toe te voegen rond de randen van het gat. De op grafeen gebaseerde elektrokatalysator werd vervolgens gebruikt om de afgifte van waterstof tijdens elektrolyse te verbeteren.

Met behulp van SECCM, het team ontdekte dat hun grafeen-elektrokatalysator de vorming van een stroom aanzienlijk verbeterde als reactie op het vrijkomen van energie tijdens elektrolyse. Hun computationele berekeningen suggereren dat het toevoegen van stikstof- en fosfordoteringsmiddelen het contrast van positieve en negatieve ladingen op de atomen rond de randen van het gat verbetert, het vergroten van hun vermogen om een ​​elektrische stroom te transporteren.

Met stikstof en fosfor gedoteerde elektrokatalysatoren van grafeen werkten beter dan die met slechts één van de twee chemische elementen.

"Deze bevindingen effenen een pad voor engineering op atomair niveau van de randstructuur van grafeen in op grafeen gebaseerde elektrokatalysatoren door de lokale visualisatie van elektrochemische activiteiten, ’ concluderen de onderzoekers.