En internationell forskargrupp har förbättrat grafens förmåga att katalysera väteutvecklingsreaktionen, som frigör väte som ett resultat av att en elektronisk ström passerar genom vatten. De designade en matematiskt förutspådd grafenelektrokatalysator, och bekräftade dess prestanda med hjälp av högupplöst elektrokemisk mikroskopi och beräkningsmodellering. Resultaten publicerades i tidskriften Advanced Science.

Akichika Kumatani från Tohoku Universitys Advanced Institute for Materials Research (AIMR), Tatsuhiko Ohto från Osaka University, Yoshikazu Ito från Tsukuba University och kollegor i Japan och Tyskland fann att tillsats av kväve och fosfordopmedel runt de väldefinierade kanterna av grafenhål förbättrade dess förmåga att elektrokatalysera väteutvecklingsreaktionen.

Grafenbaserade katalysatorer har en fördel framför metallbaserade genom att de är stabila och kontrollerbara, gör dem lämpliga för användning i bränsleceller, energilagrings- och omvandlingsanordningar, och i vattenelektrolys. Deras egenskaper kan förbättras genom att göra flera samtidiga förändringar av deras strukturer. Men forskare måste kunna se dessa förändringar på nanoskala för att förstå hur de samverkar för att främja katalys.

Kumatani och hans kollegor använde den nyligen utvecklade elektrokemiska cellmikroskopin (SECCM) för direkt, observation i submikroskala av de elektrokemiska reaktioner som sker när ström passerar genom vatten under elektrolys. Det gjorde det också möjligt för dem att analysera hur strukturella förändringar i grafenelektrokatalysatorer påverkar deras elektrokemiska aktiviteter. Denna typ av observation är inte möjlig med konventionella metoder.

Teamet syntetiserade en elektrokatalysator gjord av ett grafenark fullt av matematiskt förutspådda hål med väldefinierade kanter. Kanterna runt hålen ökar antalet aktiva platser som är tillgängliga för kemiska reaktioner. De dopade grafenarket genom att lägga till kväve- och fosforatomer runt hålkanterna. Den grafenbaserade elektrokatalysatorn användes sedan för att öka frisättningen av väte under elektrolys.

Med SECCM, teamet fann att deras grafenelektrokatalysator avsevärt förbättrade bildandet av en ström som svar på energiutsläpp under elektrolys. Deras beräkningar tyder på att tillsats av kväve- och fosfordopmedel ökar kontrasten mellan positiva och negativa laddningar på atomerna som omger hålkanterna, öka deras förmåga att transportera en elektrisk ström.

Kväve- och fosfordopade hålgrafenelektrokatalysatorer fungerade bättre än de som dopats med endast ett av de två kemiska elementen.

"Dessa fynd banar väg för konstruktion på atomnivå av grafenens kantstruktur i grafenbaserade elektrokatalysatorer genom lokal visualisering av elektrokemiska aktiviteter, " avslutar forskarna.