La inminente crisis de la energía fósil y los graves problemas ambientales y climáticos exigen con urgencia sistemas de energía sostenibles y tecnologías de almacenamiento de energía de próxima generación. En lugar de un "ciclo del carbono" tradicional basado en la energía fósil, el "ciclo del hidrógeno" ha surgido y puede ser una alternativa prometedora. Con un dispositivo de división de agua, El H2 se puede generar a partir del agua mediante electricidad o energía solar, y la energía se transforma entre energía eléctrica / solar y química en baterías recargables. Sin embargo, el problema central de la división del agua, reacción de desprendimiento de oxígeno (REA) (4OH - -> 2H 2 O + O 2 + 4e - , en base), es una semirreacción cinéticamente lenta, lo que requiere un alto sobrepotencial y dificulta el desarrollo de la escisión del agua.
Recientemente, un grupo de investigación de China, dirigido por el profesor Qiang Zhang en la Universidad de Tsinghua, ha desarrollado un nuevo compuesto de grafeno / hidróxido de metal con una actividad superior de desprendimiento de oxígeno. Este trabajo se publica en la revista Materiales avanzados .
Por un lado, el grafeno es un material que exhibe una conductividad eléctrica ultra alta, alta superficie, y estructuras 3D ajustables, que es excelente para electrocatálisis heterogénea. Sin embargo, la actividad intrínseca del grafeno es indeseable. Por otra parte, Hidróxidos dobles en capas de NiFe (NiFe LDH), con notable actividad catalítica, alta estabilidad, personajes abundantes en la tierra y benignos para el medio ambiente, son considerados como los catalizadores metálicos no preciosos más prometedores.
"Por lo tanto, el control fino de la hibridación de NiFe LDH en un sustrato de grafeno específico para obtener un área de superficie activa electroquímica aumentada (ECSA), sitios activos totalmente expuestos, y una unión interfacial óptima es el tema reciente más prometedor hacia una catálisis de evolución de oxígeno superior y una aplicación práctica, "Dice el profesor Qiang Zhang.
En este trabajo, La arquitectura de los compuestos LDH de grafeno / NiFe está inspirada en la estructura jerárquica de la granada. Mediante el uso de un marco de grafeno mesoporoso dopado con nitrógeno como sustrato para el crecimiento y la decoración in situ de las LDH de NiFe, las LDH resultantes exhiben un tamaño nanométrico y una dispersión uniformes, y un fuerte par interfacial con el sustrato conductor.
"El problema más importante para la fabricación del material es la estrategia de crecimiento asistida por topología y espacialmente confinada debido al grafeno". dice Cheng Tang, el primer autor de este trabajo. "El dopante de nitrógeno y los defectos inducidos por la topología del grafeno contribuyen a la adsorción y al anclaje de los cationes metálicos y luego los mesoporos en el plano del grafeno sirven como nano-reactores para la nucleación y el crecimiento espacialmente confinados de las LDH de NiFe, lo que produce una fuerte afinidad y una dispersión uniforme de la NiFe LDH nanométrica recién desarrollada en el marco del grafeno mesoporoso ".
"Esta estructura jerárquica optimiza la hibridación entre NiFe LDH y grafeno, "Observa el profesor Zhang." Da como resultado canales mesoporosos, Autopista de electrones interconectada, íntimo acoplamiento interfacial, agregación de partículas reprimida, y sitios activos completamente expuestos ".
Otras mediciones de catálisis revelan que este material tiene un rendimiento superior a los catalizadores Ir / C comerciales y compite favorablemente contra las mejores alternativas informadas para la catálisis de REA de alto rendimiento con una pendiente de Tafel notablemente baja (~ 45 mV dec. -1 ), un sobrepotencial sustancialmente disminuido (~ 337 mV requeridos para 10 mA cm -2 ), y mayor durabilidad en 0.10 M KOH.
El profesor Zhang y su equipo informan que el excelente rendimiento se debe al efecto sinérgico de dos componentes ideales y también a las características estructurales únicas de este novedoso híbrido. Avanzando, planean investigar y optimizar la composición y estructura de este tipo de híbrido, y determinar las relaciones estructura-propiedad y el mecanismo catalítico subyacente.
"Creo que este complejo fuertemente acoplado tiene varias aplicaciones, como catálisis heterogénea, sensores, conversión y almacenamiento de energía, y asi, ", dice el profesor Zhang." Y lo que es más importante, la estrategia de fabricación y diseño asistido por topología abre nuevas vías y arroja luz sobre una rama novedosa de materiales e híbridos de nanoarquitectura avanzada ".
