Den hotande fossila energikrisen och allvarliga miljö- och klimatfrågor kräver akut hållbara energisystem och nästa generations energilagringsteknik. Istället för ett traditionellt "kolkretslopp" baserat på fossil energi, "vätecykeln" har dykt upp och kan vara ett lovande alternativ. Med en vattenklyvningsanordning, H2 kan genereras från vatten med el eller solenergi, och energi omvandlas mellan elektrisk/solenergi och kemisk energi i laddningsbara batterier. Dock, kärnfrågan om vattenklyvning, syreutvecklingsreaktion (OER) (4OH ^- —> 2H ₂ O + O ₂ + 4e ^- , i basen), är en kinetiskt trög halvreaktion, vilket kräver en hög överpotential och hindrar utvecklingen av vattenklyvning.

Nyligen, en forskargrupp från Kina, leds av prof. Qiang Zhang vid Tsinghua University, har utvecklat en ny grafen/metallhydroxidkomposit med överlägsen syreutvecklingsaktivitet. Detta arbete publiceras i tidskriften Avancerade material .

Å ena sidan, grafen är ett material som uppvisar ultrahög elektrisk ledningsförmåga, hög yta, och avstämbara 3D-strukturer, vilket är utmärkt för heterogen elektrokatalys. Dock, den inneboende aktiviteten hos grafen är oönskad. Å andra sidan, NiFe skiktade dubbelhydroxider (NiFe LDH), med anmärkningsvärd katalytisk aktivitet, hög stabilitet, jordnära och miljövänliga karaktärer, anses vara de mest lovande oädelmetallkatalysatorerna.

"Därför, finkontrollen av NiFe LDH-hybridisering till ett specifikt grafensubstrat för att erhålla en ökad elektrokemisk aktiv ytarea (ECSA), helt exponerade aktiva webbplatser, och en optimal gränssnittsövergång är det mest lovande senaste ämnet mot överlägsen syreutvecklingskatalys och praktisk tillämpning, " säger Prof. Qiang Zhang.

I det här arbetet, arkitekturen hos grafen/NiFe LDH-kompositer är inspirerad av den hierarkiska strukturen hos granatäpple. Genom att använda en kvävedopad mesoporös grafenramverk som substrat för in situ tillväxt och dekoration av NiFe LDH, de resulterande LDH:erna uppvisar en enhetlig nanostorlek och dispersion, och ett starkt gränsytepar med det ledande substratet.

"Den viktigaste frågan för materialtillverkningen är den topologistödda och spatialt begränsade tillväxtstrategin på grund av grafenen." säger Cheng Tang, den första författaren till detta verk. "Kvävedopningsmedlet och topologi-inducerade defekterna av grafen bidrar till adsorptionen och förankringen av metallkatjoner och sedan tjänar mesoporerna i planet på grafen som nano-reaktorer för rumsligt begränsad kärnbildning och tillväxt av NiFe LDH, vilket ger en stark affinitet och enhetlig spridning av den växande nanostora NiFe LDH i den mesoporösa grafenramen."

"Denna hierarkiska struktur optimerar hybridiseringen mellan NiFe LDH och grafen, " Prof. Zhang noterar. "Det resulterar i mesoporösa kanaler, sammankopplad elektronmotorväg, intim gränssnittskoppling, undertryckt partikelaggregation, och helt exponerade aktiva webbplatser."

Ytterligare katalysmätningar visar att detta material överpresterar kommersiella Ir/C-katalysatorer och konkurrerar positivt mot de bäst rapporterade alternativen för högpresterande OER-katalys med en anmärkningsvärt låg Tafel-lutning (~45 mV dec. ^-1 ), en väsentligt minskad överpotential (~337 mV krävs för 10 mA cm ^-2 ), och förbättrad hållbarhet i 0,10 M KOH.

Prof. Zhang och hans team rapporterar att den utmärkta prestandan har bidragit från den synergetiska effekten av två idealiska komponenter och även de unika strukturegenskaperna hos denna nya hybrid. Går framåt, de planerar att undersöka och optimera sammansättningen och strukturen av denna typ av hybrid, och att fastställa struktur-egenskapsförhållandena och den underliggande katalytiska mekanismen.

"Jag tror att detta starkt kopplade komplex har olika tillämpningar som heterogen katalys, sensorer, energiomvandling och lagring, och så o, ." säger prof. Zhang. "Och ännu viktigare, den topologistödda design- och tillverkningsstrategin öppnar nya vägar och kastar ljus över en ny gren av avancerade nanoarkitekturerade material och hybrider."