Ett koreanskt forskarlag från Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), S. Korea, utvecklat en högpresterande och stabil metallfri elektrokatalysator för ORR och forskningsarbetet publicerades i en vetenskaplig tidskrift, Nanoskala av Royal Society of Chemistry (RSC). (Titel:"Kovalent funktionaliseringsbaserad heteroatomdopad grafennanoark som en metallfri elektrokatalysator för syrereduktionsreaktion")

Begränsad tillgång på fossila bränslen och ökande energibehov har stimulerat intensiv forskning om energiomvandling och lagringssystem. Bränsleceller har fått stor uppmärksamhet bland de många valen av energilagringssystem, på grund av deras anmärkningsvärda potentiella energitäthet och miljöproblem.

Elektrokatalysatorer för syrereduktion är kritiska komponenter som dramatiskt kan förbättra prestandan hos bränsleceller, som uppfattas vara kraften för framtida elfordon. För mer ekonomiska bränsleceller, ingenjörer behöver snabba och effektiva elektrokatalysatorer som delar vätgas för att göra elektricitet.

UNISTs forskargrupp ledd av prof. Byeong-Su Kim från Interdisciplinary School of Green Energy, UNIST, presenterade en unik design och karakterisering av nya heteroatomdopade grafen-nanoark framställda genom kovalent funktionalisering av olika små organiska molekyler med en efterföljande värmebehandling. Detta arbete föreslogs och utfördes av student Minju Park från Interdisciplinary School of Green Energy, UNIST.

Det finns många tillgängliga metoder för att framställa kvävedopad (N-dopad) grafen. Dessa tillvägagångssätt introducerar framgångsrikt kväveatomer inom grafenramverket. Dock, många av dem kräver giftig gasprekursorer, och inte kan kontrollera graden av dopning och typen av kvävefunktionalitet.

Häri presenterade UNIST Research-teamet ett enkelt tillvägagångssätt för kemisk funktionalisering mot heteroatomdopade grafen-nanoark med små organiska molekyler för användning som elektrokatalysatorer för syrereduktionsreaktionen.

Så här har materialet framställts:Grafitoxidpulver framställdes av grafitpulver med oxidation och exfolierades för att ge en brun dispersion av grafenoxid (GO) under ultraljudbehandling. Nanoskivor av grafenoxid har olika funktionella grupper på kanten, såsom karboxylsyra (-COOH), hydroxyl (-OH), och epoxi (-C-O-C).

När GO-suspensionen reagerade med aminer i närvaro av 1-etyl-3-(3-dimetylaminopropyl)karbodiimid (EDC), en vattenlöslig karbodiimid erhölls vanligtvis som hydrokloriden, karboxylgruppen i GO reagerade med amin och bildade en amidgrupp. Forskargruppen definierade det som 'NGOn', som var kemiskt funktionaliserad grafenoxid. NGOn-suspensioner glödgades vid 800 ℃ i 1 timme under en argonatmosfär med rörugn, och kväve dopades in i grafenoxid-nanoskivorna med avlägsnande av syre som heter 'NRGOn'.

Vidare visade UNISTs forskargrupp hur den elektrokemiska prestandan kan förbättras genom att variera graden och konfigurationerna av kvävedopningsmedlet. Ytterligare, de utökade tillvägagångssättet mot introduktionen av andra heteroatomer, såsom bor och svavel, in i grafen nanoarket.

"Kvävedopade grafen-nanoskivor visade överlägsen stabilitet jämfört med kommersiella Pt/C-katalysatorer. Detta tillvägagångssätt har också framgångsrikt utvidgats till andra heteroatomer som bor och svavel på grafen-nanoskivorna, " sa Minju Park.

"Vi föreställer oss att denna studie kommer att erbjuda möjligheter och insikter för vidareutveckling av hybridelektrokatalysatorer, " sa prof. Kim, presentera framtida forskningsmöjligheter.