El trabajo de detectives de los químicos de la Universidad de Rice ha definido un engaño en los catalizadores de grafeno que, hasta ahora, ha desafiado toda descripción.

El grafeno ha sido ampliamente probado como reemplazo del costoso platino en aplicaciones como pilas de combustible, donde el material cataliza la reacción de reducción de oxígeno (ORR) esencial para convertir la energía química en energía eléctrica.

Porque el grafeno, la forma de carbono de un átomo de espesor, no es naturalmente metálico, Los investigadores han quedado desconcertados por su actividad catalítica cuando se utiliza como cátodo.

Extrañar más, dijo el químico de Rice James Tour y su equipo, quienes han descubierto que trazas de contaminación de manganeso de precursores o reactivos de grafito se esconden en la red de grafeno. En las condiciones adecuadas, esos trozos de metal activan el ORR. Tour dijo que también brindan información sobre cómo se pueden mejorar los catalizadores ultrafinos como el grafeno.

La investigación aparece en la revista Carbón .

Debido a que el contraste entre los átomos de carbono y manganeso es tan leve, Los átomos traza de los contaminantes no se pueden ver con técnicas de caracterización tradicionales como la difracción de rayos X y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS).

"Los laboratorios han informado sobre catalizadores de grafeno 'libres de metales', y la evidencia que han reunido podría interpretarse fácilmente para demostrar que, "Tour dijo." De hecho, las herramientas que estaban usando simplemente no eran lo suficientemente sensibles para mostrar los átomos de manganeso ".

Una herramienta más sensible, espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS), Vio claramente a los intrusos entre las muestras hechas por el laboratorio de Rice.

Las muestras de prueba de grafeno dopado con nitrógeno se redujeron del óxido de grafeno y luego se lavaron con ácido entre una y seis veces. Con cada lavado, el escaneo ICP-MS mostró menos átomos de manganeso y no detectó ninguno en muestras de grafeno lavadas seis veces. Para el quinto lavado, la actividad catalítica cambió totalmente y mostró que la actividad anterior se había debido a esos átomos metálicos residuales.

El laboratorio informó que no se observaron átomos de manganeso en ninguna de las mismas muestras utilizando herramientas analíticas convencionales. incluyendo XPS o microscopía electrónica de transmisión.

Los investigadores caracterizaron la actividad de ORR de las muestras y encontraron que el nitrógeno-grafeno lavado dos veces era más efectivo. Estas muestras tendían a incorporar átomos individuales de manganeso en la estructura del grafeno, que facilitó la reducción completa de oxígeno a través de un proceso de cuatro electrones en el que cuatro electrones se transfieren a átomos de oxígeno, generalmente de hidrógeno.

"En un proceso de cuatro electrones, el oxígeno se reduce a agua o hidróxido, "dijo el estudiante graduado de Rice, Ruquan Ye, el autor principal del artículo. "Sin embargo, el peróxido se forma en un proceso de dos electrones, lo que da como resultado una densidad de corriente limitada por difusión más baja y genera especies de oxígeno reactivo peligrosas ". Dijo que sin metal, la ORR en el grafeno es mucho menos eficiente.

Tour dijo que los resultados deberían conducir a la investigación del papel de los metales traza en otros materiales que se cree que no contienen metales.

"Los catalizadores de un solo átomo pueden esconderse entre el grafeno, y su actividad es profunda, ", dijo." Así que lo que a veces se ha atribuido al grafeno era en realidad el único metal enterrado en la superficie del grafeno. El grafeno es bueno por derecho propio, pero en estos casos, los polizones de un solo átomo de metal lo estaban haciendo para que se viera aún mejor ".

Los coautores son los estudiantes graduados Luqing Wang y Yilun Li y Boris Yakobson, el profesor Karl F. Hasselmann de ciencia de materiales y nanoingeniería y profesor de química; Rubén Mendoza-Cruz de Rice y la Universidad de Texas en San Antonio; Miguel José Yacamán de la Universidad de Texas en San Antonio; y Juncai Dong, Peng-Fei An y Dongliang Chen de la Academia de Ciencias de China, Beijing.

La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigaciones Navales, el Centro Nacional de Recursos de Investigación, la National Science Foundation-Partnerships for Research and Education in Materials, el Instituto Nacional de Salud y Disparidades de Salud de las Minorías de los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Fundación Jianlin Xie del Instituto de Física de Altas Energías, Academia de Ciencias de China.