Ny forskning publicerad i en tidning i NANO av ett team av forskare från Beihang University har tillverkat en ny typ av VNQD-NG som icke-dyrbar metallbaserad elektrokatalysator för syrereduktionsreaktion (ORR). De unika strukturella egenskaperna hos rikliga VN-kvantpunkter med storleken 3-6 nm, hög yta och porer i flera nivåer ger avsevärda strukturella kanter och defekter som aktiva platser, maximera de exponerade aktiva platserna och tillhandahålla tillräckliga elektrontransportvägar för ORR. Detta har betydande praktiska och kommersiella tillämpningar.

Ett team av forskare från Beihang University i Peking, Kina har visat en ny typ av billiga oädelmetallbaserade katalysatorer som ett alternativ till platinabaserade katalysatorer för syrereduktionsreaktion. I sitt arbete, en ny typ av kvantprickar av vanadinnitrid som är homogent förankrade på kvävedopad grafen (betecknad som VNQD-NG) tillverkas med en enkel hydrotermisk metod och efterföljande ammoniakglödgningsprocess. VNQD-NG uppvisar hög elektrokatalytisk aktivitet, lång hållbarhet och hög selektivitet för ORR, överlägsen kommersiellt tillgänglig Pt-C. Deras rapport kommer i det kommande numret av tidskriften NANO .

Att utveckla lämpliga elektrokatalysatorer för ORR är betydelsefullt för de praktiska tillämpningarna av bränsleceller och metall-luftbatterier på grund av den kinetiska trögheten hos ORR med en komplex process för överföring av fyra elektroner. Trots den höga effektiviteten hos platina (Pt) och Pt-baserade legeringar för ORR, deras höga kostnad tillsammans med de sällsynta reservaten i naturen hindrar till stor del den storskaliga praktiska tillämpningen. Därför, Att utveckla billiga oädelmetallbaserade katalysatorer som ett alternativ till Pt-baserade katalysatorer är avgörande. Vanadinnitrit (VN) har inte bara samma struktur och höga densitet av tillstånd som de för ovanstående övergångsmetallnitrider, men visar också bra korrosionsbeständighet och hög elektrisk konduktivitet, har ett stort löfte som en aktiv elektrokatalysator för ORR.

Den färdigberedda VNQD-NG har många nolldimensionella (0D) VN kvantpunkter (QDs) med storlekarna 3-6 nm förankrade homogent på ytan av kvävedopad grafen, ger betydande strukturella kanter och defekter som aktiva platser för ORR. Dessutom, VNQD-NG nanosheets kan samtidigt konstruera en tredimensionell (3-D) porös arkitektur för att maximera de exponerade aktiva platserna och tillhandahålla tillräckliga elektrontransportvägar under ORR. Forskare utförde cykliska voltammogram (CV) mätningar i en vattenhaltig 0,1 M KOH-lösning för att undersöka ORR-egenskaperna hos VNQD-NG-prover, reflekterande en framträdande elektrokatalytisk aktivitet hos VNQD-NG för syrereduktion. Kronomperometriska mätningar visar att ett starkt strömsvar inträffar vid Pt-C-katalysator när 3 M metanol injicerades i syremättad lösning, medan VNQD-NG bibehåller en stabil ström utan något distinkt svar. Tydligen, VNQD-NG-hybriden uppvisar en hög selektivitet för metanol i den alkaliska elektrolyten, tolerans mot crossover -effekter orsakade av bränslemolekyler som tränger igenom polymermembranet. Forskare utförde också mätningarna med roterande ringdiskelektrod (RRDE) för att verifiera den elektrokemiska ORR-kinetiken för VNQD-NG, uppvisar en jämförbar ORR-startpotential som den för Pt-C-katalysator, och högre elektronöverföringstal (n) och kinetisk begränsande strömtäthet (Jk) än för kommersiella Pt-C och andra icke-Pt-katalysatorer. Den aktuella tiden (i?t) korono-mperometriska responsen för VNQD-NG avslöjar en ganska låg dämpning på 77 % efter 30 000 s, vilket ger ytterligare bevis för att stabiliteten för VNQD-NG är överlägsen den för kommersiell Pt-C (60 %).

VNQD-NG uppvisar hög elektrokatalytisk aktivitet, hög selektivitet och lång hållbarhet för ORR, bättre än kommersiellt tillgänglig Pt-C. Dessa prestationer skulle kunna ge en förlängning av att utveckla olika andra 3-D porösa metallnitridkvantprickar på grafen för breda tillämpningar inom sensorer, katalys, och andra elektroniska apparater.