Nyligen, forskare från Tsinghua University, Queen Mary University of London, och Institutet för metallforskning, kinesiska vetenskapsakademin, har rapporterat en lovande grafenkatalysator erhållen från klibbigt ris, och avslöjade den kritiska betydelsen av topologiska defekter både experimentellt och teoretiskt.
"Syrgasreduktion/evolutionsreaktion (ORR/OER) elektrokatalys är kärnan i vissa nästa generations energisystem, som bränsleceller, metall-luftbatterier och så vidare, " sa Prof. Qiang Zhang från Institutionen för kemiteknik, Tsinghua-universitetet. "Metalfria nanokolmaterial har undersökts intensivt som ORR/OER-katalysatorer, på grund av deras anmärkningsvärda aktivitet, hög ledningsförmåga och flexibilitet, den avstämbara strukturen och ytkemin, lätt förberedelse, och ekonomisk bärkraft."
Dock, tills nu, de exakta aktiva platserna i nanokolmaterial och deras specifika roller under ORR och OER förblir svårfångade och kontroversiella. Dessutom, prisvärda och skalbara metoder för att erhålla utmärkta katalysatorer krävs fortfarande för praktisk tillämpning.
"Vi föreslog ett nytt grafennät med inställbar kvävedopning och topologiska defekter, och tillverkas via direkt karbonisering av en ternär komposit med klibbigt ris, melamin, och Mg(OH) 2 mallar." sa Cheng Tang, en Ph.D. student från Tsinghua University och första författaren. "Så oväntat, en utmärkt ORR-prestanda överlägsen Pt/C när det gäller både aktivitet och stabilitet, och OER-aktivitet jämförbar med Ir/C erhålls med ett lågt överpotentialgap på 0,90 V, vilket gör den till en av de bästa bifunktionella, metallfria katalysatorer som någonsin rapporterats."
Jämfört med andra prover, de fann att de topologiska defekterna i grafenkanterna verkar vara viktigare än kvävedopningen för högre aktivitet. "Det skiljer sig från tidigare resultat, men viktigt för en grundlig förståelse av aktivitetsursprunget för nanokolkatalysatorer, " sa prof. Zhang.
Beräkningar av densitetsfunktionsteori utfördes för att belysa de experimentella resultaten. N-dopade delar har visat sig ha en högre överpotential än orörda grafen nanoband, men de delar med ringdefekter med fem eller sju kol uppvisar ökad aktivitet. En kvävefri konfiguration med intilliggande pentagon- och heptagonkolringar har visat sig uppvisa den lägsta överpotentialen för både ORR och OER.
"Detta arbete ger nya insikter om ursprunget till syreelektrokatalytisk aktivitet för metallfria nanokolelektrokatalysatorer, " C. Tang förklarade. "Vikten av topologiska defekter, förutom de dopningsinducerade platserna i de heteroatomdopade nanokolmaterialen belyses mot lovande ORR/OER-katalys."
Efter systematisk jämförelse av tidigare rapporter, Prof. Zhang och medarbetare föreslog att olika aktiva webbplatser, som dopmedel, kanter och defekter, faktiskt genererar lovande ORR-aktivitet till metallfria nanokolmaterial genom analog modifiering av elektronstrukturer, leder till optimerad mellanliggande kemisorption och underlättad elektronöverföring.
Sådan synkretisk förståelse bör bidra till vidare forskning. "Vi tror att specifik heteroatomdopning vid defekta kanter mest effektivt förändrar elektronstrukturer och uppnår optimala ORR-aktiviteter för metallfria elektrokatalysatorer."
