(Phys.org) – Bränsleceller kräver en katalysator för syrereduktionsreaktionen. En typ av katalysator är kvävedopade grafenoxid nanoark. Nanoskivor av grafenoxid kan lätt funktionaliseras med andra atomer som bor, kväve, eller svavel, samt metaller som järn, nickel, och kobolt, vilket gör dem till ett mångsidigt material för praktiska tillämpningar.

Processen att göra grafenoxid-nanoark görs i ett vattenhaltigt medium och resulterar i vattenmolekyler som finns mellan grafenarken. Flera forskare från Los Alamos National Laboratory, University of New Mexico, Oak Ridge National Laboratory, och Rutgers University har karakteriserat effekterna av att ta bort dessa interkalerade vattenmolekyler. De fann att vattenmolekylerna inte bara påverkar nanoskivans fysiska struktur och koncentrationen av heteroatomer som läggs till den, men avlägsnandet av vattenmolekylerna förändrar nanoskivans katalytiska aktivitet. Deras arbete visas i Vetenskapens framsteg .

Grafit oxideras för att bilda grafenoxidark. Dessa ark har typiskt inskjutna vattenmolekyler mellan arken. För att göra katalysatorn, dessa ark reduceras och dopas med en heteroatom för att bilda dopade grafenark. Få studier har utförts för att förstå effekterna som de interkalerade vattenmolekylerna har på grafenoxidnanoark.

Användning av vakuumtorkning och lösningsmedelstvätt med lösningsmedel som uppfyller vissa Hansens löslighetsparametrar, Martinez, et al. kunde torka grafenoxidark och ta bort de interkalerade vattenmolekylerna mellan arken. XRD-studier verifierar att avståndet mellan arken minskade signifikant efter vakuumtorkning och sedan ännu mer efter torkning av lösningsmedel. Avståndet mellan arken ändrades från 10,8 Å till 8,6 Å efter vakuumtorkning och sedan till 7,5 Å efter lösningsmedelstorkning med etanol eller dietyleter. Vidare, XRD-data visade också bevis på långväga ordning.

XPS- och IR-data verifierade också att arken saknade interkalerat vatten. Molekylära dynamikstudier bekräftade att lösningsmedlen väsentligt förändrar strukturen hos vatteninlagda grafenoxidark. Särskilt de eterbehandlade arken visade ett slags "rynkning" som delvis kan vara anledningen till att de eterbehandlade arken uppvisade den bästa katalytiska aktiviteten för syrereduktionsreaktionen.

Kvävedopning åstadkoms med användning av en känd metod. Martinez, et al. behandlade de lösningsmedelssköljda och vakuumtorkade grafenoxidarken med ammoniak vid hög temperatur. De noterade att de etanol- och eterbehandlade arken hade stora hål i arken, vilket är användbart för katalys eftersom det exponerar mellanskiktets aktiva platser.

Martinez, et al. testade sedan deras nya kvävedopade reducerade grafenoxidkatalysator (NrGO) med en roterande ringskivelektrod i sura medier. De letade efter de tre nyckelfunktionerna för en bra katalysator:låg överpotential, hög halvvågspotential, och selektivitet för syrgas fyra-elektronreduktion till vatten. Överpotentialen är den ytterligare potentialen utöver den teoretiska potentialen för en syrereduktionsreaktion (E ^o =1,23V vs. RHE). Syre kan genomgå antingen en fyra-elektronreduktionsreaktion för att producera vatten eller en två-elektronreduktionsreaktion för att bilda väteperoxid. Ju mer selektiv katalysatorn är för fyrelektronreaktionen, desto bättre.

De fann att NrGO som behandlades med dietyleter visade den bästa överpotentialen, halvvågspotential, och selektivitetsvärden jämfört med vakuumtorkad, etanolbehandlade, och obehandlade grafenoxidark. Martinez, et al. rapporterade att detta är den högsta syrereduktionsreaktiviteten hittills för NrGO-katalysatorer i sura medier.

Denna forskning ger värdefull insikt i hur interkalerat vatten påverkar den katalytiska aktiviteten hos grafenoxidnanoark. Enligt Dr Gautam Gupta, huvudforskare i denna studie, denna studie är viktig för protonutbytesmembranbränsleceller eftersom de kräver sura förhållanden. På frågan om konsekvenserna av hans forskning, Dr Gupta sa, "Detta är den första rapporten som betonar vattens nyckelroll i katalys och forskningen har betydande implikationer vid design av 2D-material som dikalkogenider för övergångsmetaller för energitillämpningar."

© 2016 Phys.org