Forskare från Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Sydkorea har banat väg för en enkel, men ett effektivt och miljövänligt sätt att producera Edge-selektivt funktionaliserade grafen-nanoplättar (EFGnPs) genom torr kulmalning av grafit i närvaro av olika gaser.

Den elektrokatalytiska aktiviteten hos heteroatomdopade kolbaserade nanomaterial har blivit ett växande intresse under de senaste åren på grund av deras potentiella tillämpningar för bränsleceller och metall-luftbatterier.

Flera metoder finns för närvarande för dopning av heteroatomer till grafitiska strukturer, men dessa lider av höga tillverkningskostnader och tekniska svårigheter.

Forskare vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har kommit med en enkel, men effektivt och miljövänligt alternativ som ser produktionen av kantselektivt funktionaliserade grafen-nanoplättar (EFGnPs) via en torr kulmalningsgrafit i närvaro av olika gaser. Torrkulkvarnen är faktiskt en typ av kvarn, traditionellt används för att mala malmer, kemikalier och andra råvaror till fint pulver. Den kan också användas på atomnivå, som är fallet när man producerar EFGnPs.

På grund av mångsidigheten hos mekanokemiska reaktioner som drivs av kulfräsning, olika funktionella grupper skulle kunna introduceras till de brutna kanterna på grafennanopletlets (GnPs) i närvaro av lämpliga kemiska ångor, vätskor, eller fasta ämnen i kulkvarnskrossen.

Mekanismen för kantselektiv funktionalisering i kulmalningsprocessen involverar reaktionen mellan reaktiva koltyper som genereras av en mekanokemisk klyvning av grafitiska C-C-bindningar och gaser i en förseglad kulkvarnskross. Den vilande aktiva kolarten, som förblir oreaktiva i krossen, kan avbrytas genom efterföljande exponering för luftfuktighet. Som ett resultat, vissa syresatta grupper, såsom hydroxyl (-OH) och karboxylsyra (-COOH), kan införas vid de brutna kanterna på de förformade EFGnP:erna med minimal basalplansdistorsion.

Ett svepelektronmikroskop (SEM) används för att demonstrera den mekanokemiska sprickningen av en stor kornstorlek grafitbit till en liten kornstorlek av EFGnPs. På grund av reaktionen mellan de nybildade aktiva koltyperna vid de brutna kanterna av GnPs och motsvarande gaser, kulmalningen och efterföljande upparbetningsprocedurer visade sig öka vikten av alla resulterande EFGnPs med avseende på grafitutgångsmaterialet. Dessa resultat indikerade att den mekanokemiska funktionaliseringen av grafit var effektiv. De resulterande EFGnP:erna är tillräckligt aktiva för syrereduktionsreaktionen (ORR) i bränsleceller, och därför kommer de att göra dyra platina (Pt)-baserade elektrokatalysatorer för att ta ett baksäte.

Jong-Beom Baek, professor och chef för Interdisciplinary School of Green Energy/Low-Dimensional Carbon Materials Center vid UNIST kommenterade:

"Vi har utvecklat en enkel, men mångsidig kulfräsningsprocess för att effektivt exfoliera den orörda grafiten direkt till EFGnPs. Olika mikroskopiska och spektroskopiska mätningar utfördes för att bekräfta reaktionsmekanismerna för kantfunktionalisering av grafit genom kulmalning i närvaro av motsvarande gaser och deras överlägsna elektrokatalytiska aktiviteter hos ORR, " sade prof. Baek.