Esquema del proceso desarrollado para fabricar catalizadores NrGO. El grafito natural (con un espaciado d de 3.4 Å) se funcionaliza químicamente y se exfolia usando permanganato de potasio y ácido sulfúrico (método de Hummers modificado) para producir un polvo de GO con un espaciado d de ~ 1 nm. GO se somete luego a diferentes tratamientos de enjuague con solvente seguido de secado al vacío para eliminar efectivamente el agua intercalada no unida, como lo indica la disminución en el espaciado d (8.6 a 5.4 Å, dependiendo del disolvente utilizado para el aclarado). El GO secado resultante se dopa con nitrógeno (NH3 a 850 ° C), conduciendo a la formación de catalizadores NrGO con un espaciamiento d final de 3.4 Å. Átomos:C (gris), Mn de KMnO4 (violeta), N (azul), O (rojo), y H (blanco). Crédito:U. Martinez et al. Avances de la ciencia (2016). DOI:10.1126 / sciadv.1501178
(Phys.org) —Las celdas de combustible requieren un catalizador para la reacción de reducción de oxígeno. Un tipo de catalizador son las nanohojas de óxido de grafeno dopado con nitrógeno. Las nanohojas de óxido de grafeno se funcionalizan fácilmente con otros átomos como el boro, nitrógeno, o azufre, así como metales como el hierro, níquel, y cobalto, haciéndolos un material versátil para aplicaciones prácticas.
El proceso de fabricación de nanohojas de óxido de grafeno se realiza en un medio acuoso y da como resultado moléculas de agua que residen entre las hojas de grafeno. Varios investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos, la Universidad de Nuevo México, Laboratorio Nacional Oak Ridge, y la Universidad de Rutgers han caracterizado los efectos de eliminar estas moléculas de agua intercaladas. Descubrieron que las moléculas de agua no solo afectan la estructura física de las nanohojas y la concentración de heteroátomos que se le agregan, pero la eliminación de las moléculas de agua cambia la actividad catalítica de las nanoláminas. Su trabajo aparece en Avances de la ciencia .
El grafito se oxida para formar láminas de óxido de grafeno. Estas láminas suelen tener moléculas de agua intercaladas entre las láminas. Para hacer el catalizador, estas láminas se reducen y dopan con un heteroátomo para formar láminas de grafeno dopadas. Se han realizado pocos estudios para comprender los efectos que tienen las moléculas de agua intercaladas en las nanohojas de óxido de grafeno.
Usando secado al vacío y lavado con solventes con solventes que satisfacen ciertos parámetros de solubilidad de Hansen, Martinez, et al. pudieron secar láminas de óxido de grafeno y eliminar las moléculas de agua intercaladas entre las láminas. Los estudios de XRD verifican que la distancia entre hojas disminuyó significativamente después del secado al vacío y aún más después del secado con solvente. La distancia entre láminas cambió de 10,8 Å a 8,6 Å después de secar al vacío y luego a 7,5 Å después de secar con disolvente con etanol o éter dietílico. Es más, Los datos de XRD también mostraron evidencia de orden de largo alcance.
Los datos de XPS e IR también verificaron que las láminas carecían de agua intercalada. Los estudios de dinámica molecular confirmaron que los disolventes alteran sustancialmente la estructura de las láminas de óxido de grafeno intercaladas con agua. En particular, las hojas tratadas con éter demostraron una especie de "arrugado" que puede ser en parte la razón por la que las hojas tratadas con éter mostraron la mejor actividad catalítica para la reacción de reducción de oxígeno.
El dopaje con nitrógeno se logró utilizando un método conocido. Martinez, et al. trataron las láminas de óxido de grafeno enjuagadas con solvente y secadas al vacío con amoníaco a alta temperatura. Observaron que las láminas tratadas con etanol y éter tenían grandes agujeros en las láminas, lo cual es útil para la catálisis porque expone los sitios activos entre capas.
Martinez, et al. luego probaron su nuevo catalizador de óxido de grafeno reducido dopado con nitrógeno (NrGO) con un electrodo de disco de anillo giratorio en medios ácidos. Buscaron las tres características clave de un buen catalizador:sobrepotencial bajo, alto potencial de media onda, y selectividad para la reducción de cuatro electrones del oxígeno a agua. El sobrepotencial es el potencial adicional más allá del potencial teórico para una reacción de reducción de oxígeno (E o =1,23 V frente a RHE). El oxígeno puede sufrir una reacción de reducción de cuatro electrones para producir agua o una reacción de reducción de dos electrones para formar peróxido de hidrógeno. Cuanto más selectivo sea el catalizador para la reacción de cuatro electrones, el mejor.
Descubrieron que la NrGO que se trató con éter dietílico mostró el mejor sobrepotencial, potencial de media onda, y valores de selectividad en comparación con el secado al vacío, tratado con etanol, y láminas de óxido de grafeno sin tratar. Martinez, et al. informó que esta es la reactividad de reducción de oxígeno más alta hasta la fecha para los catalizadores NrGO en medios ácidos.
Esta investigación proporciona información valiosa sobre cómo el agua intercalada afecta la actividad catalítica de las nanohojas de óxido de grafeno. Según el Dr. Gautam Gupta, investigador principal en este estudio, este estudio es importante para las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones porque requieren condiciones ácidas. Cuando se le preguntó sobre las implicaciones de su investigación, El Dr. Gupta dijo:"Este es el primer informe que enfatiza el papel clave del agua en la catálisis y la investigación tiene implicaciones significativas en el diseño de materiales 2D como dicalcogenuros de metales de transición para aplicaciones energéticas".
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