Forskare vid Tsinghua University, Kina, och Nanyang Technological University, Singapore, har designat en egendispers nanokolarkitektur som hybridiserar N-dopad grafen och SWCNT, som kan tjäna som en överlägsen bifunktionell elektrokatalysator för både syrereduktion och evolutionsreaktioner.

Nu för tiden, förnybara energisystem med hög kapacitet som bränsleceller och metall-luftbatterier är mycket önskvärda för att hållbart driva samhället. "Som nyckelelektrodreaktionerna för sådana energisystem, ORR och OER, förkortning för syrereduktion och syreutvecklingsreaktion, är multielektronprocesser och kinetiskt tröga. Följaktligen, högeffektiva elektrokatalysatorer för dessa reaktioner behövs för att öka reaktionshastigheten, " säger Dr Qiang Zhang, en docent vid institutionen för kemiteknik, Tsinghua-universitetet. "Trots hög katalytisk aktivitet, de konventionella ädelmetallkatalysatorerna som Pt, Ru, och Ir, lider av de höga kostnaderna och dålig stabilitet. Som ett resultat, forskare söker ersättningskatalysatorer från icke-ädel metall och till och med icke-metallmaterial. Heteroatomdopade nanokolmaterial ger mycket förbättrad reaktivitet och katalytisk prestanda. Vår grupp utforskade in situ-tillväxten av N-dopad grafen- och SWCNT-hybrider och deras överlägsna elektrokatalytiska prestanda för ORR och OER."

"De skiktade dubbelhydroxiderna användes som den bifunktionella katalysatorn för den samtidiga tillväxten av grafen och SWCNT, bildar det tredimensionella sammankopplade nätverket, Prof. Fei Wei berättar Phys.org .

Faktiskt, Zhangs grupp har gjort mycket forskning om syntesen av hierarkiska nanokolmaterial med de skiktade dubbla hydroxidema som katalysatorer och uppnått stora framsteg och producerat många utmärkta papper. "När det gäller de två typiska nanokolmaterialen, 1D CNT och 2D grafen nanoark, båda är benägna att samlas eller staplas med varandra på grund av de starka van der Waals-krafterna. Det hindrar fullt utnyttjande av de aktiva platserna för katalytiska reaktioner. Faktiskt, integrationen av grafen och CNT i ett hybridmaterial är en ganska lovande strategi för att förbättra spridningen av grafen och CNT, att ärva fördelarna med både grafen och CNT, och att erhålla ett effektivt och effektivt elektroniskt och värmeledande 3D-nätverk, " säger Qiang. "De FeMoMgAl LDHs-härledda bifunktionella katalysatorerna inbäddade med termiskt stabila Fe NPs fungerade inte bara som en effektiv katalysator för tillväxten av N-dopade SWCNT, men levererade också ett lamellärt substrat för mallavsättning av N-dopad grafen. Därför, den samtidiga tillväxten av N-dopad grafen och SWCNT kan uppnås med den kovalenta C-C bindningsanslutningen."

Baserat på detta koncept, Gui-Li Tian, en doktorand och första författare, utvecklat en in-situ kemisk ångavsättningsstrategi för grafen/SWCNT-hybridsyntesen. "N-dopad grafen och SWCNT är i sig dispergerade i denna nya kolarkitektur och de N-innehållande funktionella grupperna väl spridda i den ledande ställningen. Hybriderna som tillverkas har en stor yta, hög porositet och även hög grafitisk grad. Alla dessa karaktärer återger de N-dopade grafen/SWCNT-hybriderna med en hög ORR-aktivitet, mycket överlägsen två beståndsdelar och till och med jämförbar med de kommersiella 20 viktprocent Pt/C-katalysatorer med mycket bättre hållbarhet och motståndskraft mot korsningseffekt, säger Gui-Li. Dessutom de visade att en sådan ny kolarkitektur också är elektrokatalytiskt aktiv för OER.

"Detta indikerade att hybridmaterialet är en lovande bifunktionell elektrokatalysator för de regenerativa bränslecellerna och uppladdningsbara metall-luftbatterier som involverar syreelektrokemi, " säger Dr. Dingshan Yu vid Nanyang Technological University, Singapore.

"Vi förutser att jämfört med slumpmässiga grafen och CNT, fler potentiella tillämpningar kan uppstå om de förbättrade elektriska och optiska egenskaperna hos dopade grafen/CNT-hybrider utnyttjades fullt ut, " säger Qiang. Dessutom, detta arbete ger också en strukturell plattform för design av 3D-sammankopplingsmaterial med extraordinära elektronbanor samt avstämbar yta/gränssnitt som kan användas i områden, såsom katalys, separation, drogleverans, energiomvandling och lagring.