Los catalizadores son de suma importancia para lograr una alta eficiencia y beneficio económico para la mayoría de reacciones heterogéneas. Dado que la reacción catalítica ocurre solo cuando los reactivos alcanzan los sitios activos, estos sitios activos deben exponerse al máximo en la superficie en un catalizador de alta eficacia.

Basado en esta consideración, Investigadores de la Universidad de Tsinghua en China han demostrado ahora un material nanocable de carbono coaxial único con nanotubos de carbono prístinos (CNT) como núcleo y una capa de carbono arrugada dopada con nitrógeno como caparazón. Los nanocables coaxiales, denotado como CNT @ NCNT, están enriquecidos con N átomos dopantes en la superficie, es decir, los sitios activos inducidos por la incorporación de N están expuestos en la superficie. El equipo informó sobre su investigación en Materiales funcionales avanzados , número 38, volumen 24.

"Nanotubos de carbon, un material funcional super estrella, han atraído mucha atención desde que se encontraron en 1991. Además, la incorporación de heteroátomos en el esqueleto de CNT hace que los CNT dopados tengan una reactividad química mejorada y un rendimiento catalítico secuencialmente bueno ". El Dr. Qiang Zhang dijo a Phys.Org:"Para la mayoría de los CNT dopados con N (NCNT) sintetizados directamente por el crecimiento de la deposición de vapor químico y el dopaje químico, los átomos de N incorporados se distribuyen uniformemente. Por lo tanto, los sitios activos inducidos por los átomos dopantes en las paredes internas son apenas accesibles y, en consecuencia, contribuyeron escasamente a la actividad catalítica ".

"Además, la estructura similar al bambú o la estructura apilada en tazas de los NCNT rutinarios hace que el empaquetamiento complejo de las capas de grafeno, lo que dificulta el rápido transporte de electrones a lo largo de las capas de grafeno. Como consecuencia, Es muy deseable que un electrocatalizador NCNT eficiente incorpore átomos de N en nanotubos de carbono de forma selectiva en la superficie para exponer completamente los sitios activos mientras que las paredes internas continuas de CNT están bien conservadas ".

A este respecto, Gui-Li Tian, un estudiante de posgrado y el primer autor del artículo, desarrolló un fácil, Método de fase no líquida para fabricar los nanocables coaxiales CNT @ NCNT. "Una fina capa de carbono turboestrático que contiene N puede crecer epitaxialmente en las paredes externas de CNT prístinos por CVD de compuestos que contienen N, dando como resultado los nanocables coaxiales constituidos por las paredes cilíndricas de CNT y las capas arrugadas dopadas con N, "dice Tian." Los átomos de N dopantes se enriquecen en la superficie de los nanocables fabricados. Y las paredes interiores permanecieron intactas como se esperaba, conduciendo a una alta conductividad eléctrica de 3.3 S cm-1. Combinando los méritos de los átomos de N dopantes enriquecidos en la superficie y las paredes internas continuas, CNT @ NCNT posee una actividad electrocatalítica superior. "

"En comparación con los NCNT dopados a granel de rutina a un nivel de dopaje similar, el catalizador CNT @ NCNT proporcionó una mayor densidad de corriente y un menor sobrepotencial tanto para la reducción de oxígeno como para la reacción de evolución ".

El profesor Fei Wei agregó:"Los átomos de N incorporados se concentran en la superficie de CNT @ NCNT. Por lo tanto, los sitios activos inducidos por los átomos de dopaje son más accesibles a los reactivos. Es más, también se mejoran la polaridad y la hidrofilia del material de carbono, lo que facilitó la transferencia de masa en la interfaz entre el material del electrodo y el electrolito. Además, la alta conductividad eléctrica atribuida a las paredes internas intactas beneficia la rápida transferencia de carga desde las capas dopadas con N a los andamios de CNT. Como resultado, CNT @ NCNT ofrece un rendimiento electrocatalítico superior en comparación con los NCNT de rutina ".

"Además de catalizadores superiores para la electroquímica del oxígeno, Los nanocables coaxiales CNT @ NCNT también son una buena plataforma para la exposición completa de sitios activos para interfaces robustas de compuestos de alto rendimiento, así como catalizadores eficientes y / o soportes de nanopartículas metálicas para reacciones de oxidación selectiva y biosensores, etc. ", dijo el profesor Dang-Sheng Su del Instituto de Investigación de Metales, Academia china de ciencias, en Shenyang, Porcelana, coautor del artículo.

Dado que las nanoestructuras de heterounión de superficie no se limitan a CNT, los investigadores prevén una nueva rama de la química que evoluciona en el área de exposición total de sitios activos a través de sistemas heterogéneos 3D.