Recientemente, investigadores de la Universidad de Tsinghua, Universidad Queen Mary de Londres, e Instituto de Investigación del Metal, Academia china de ciencias, han informado de un catalizador de grafeno prometedor obtenido a partir de arroz glutinoso, y reveló la importancia crítica de los defectos topológicos tanto experimental como teóricamente.
"La electrocatálisis de la reacción de reducción / evolución de oxígeno (ORR / OER) es el tema central de algunos sistemas de energía de próxima generación, como las pilas de combustible, baterías de metal-aire, etc. "dijo el profesor Qiang Zhang del Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Tsinghua. "Los materiales nanocarbonados sin metales se han investigado intensamente como catalizadores ORR / OER, por su notable actividad, alta conductividad y flexibilidad, la estructura sintonizable y la química de la superficie, preparación fácil, y viabilidad económica ".
Sin embargo, hasta ahora, los sitios activos exactos en los materiales de nanocarbono y sus funciones específicas durante la ORR y los REA siguen siendo escurridizos y controvertidos. Adicionalmente, Todavía se requieren métodos asequibles y escalables para obtener excelentes catalizadores para la aplicación práctica.
"Propusimos una nueva malla de grafeno con dopaje de nitrógeno sintonizable y defectos topológicos, y fabricado mediante la carbonización directa de un compuesto ternario con arroz glutinoso, melamina, y Mg (OH) 2 plantillas ", dijo Cheng Tang, un doctorado estudiante de la Universidad de Tsinghua y el primer autor. "Entonces, inesperadamente, un excelente rendimiento de ORR superior a Pt / C en términos de actividad y estabilidad, y se obtiene una actividad REA comparable con Ir / C con una brecha de sobrepotencial baja de 0,90 V, lo que lo convierte en uno de los mejores bifuncionales, catalizadores libres de metales jamás reportados ".
Comparado con otras muestras, encontraron que los defectos topológicos en los bordes del grafeno parecen ser más importantes que el dopaje con nitrógeno para una mayor actividad. "Es diferente de los resultados anteriores, pero importante para una comprensión profunda de los orígenes de la actividad de los catalizadores de nanocarbono, ", dijo el profesor Zhang.
Se realizaron cálculos de la teoría de la función de densidad para dilucidar los resultados experimentales. Se ha demostrado que los restos dopados con N presentan un sobrepotencial mayor que las nanocintas de grafeno prístinas, pero aquellos restos con defectos de anillo de cinco carbonos o siete carbonos exhiben una actividad mejorada. Se encuentra que una configuración libre de nitrógeno con anillos de carbono pentágono y heptágono adyacentes exhibe el sobrepotencial más bajo tanto para ORR como para OER.
"Este trabajo proporciona nuevos conocimientos sobre los orígenes de la actividad electrocatalítica de oxígeno para electrocatalizadores de nanocarbono libres de metales, "C. Tang explicó." La importancia de los defectos topológicos, además de los sitios inducidos por el dopaje en los materiales de nanocarbonos dopados con heteroátomos, se elucida hacia una catálisis ORR / OER prometedora ".
Después de la comparación sistemática de informes anteriores, El profesor Zhang y sus colaboradores propusieron que diferentes sitios activos, como los dopantes, bordes y defectos, generar realmente una prometedora actividad de ORR para materiales de nanocarbonos libres de metales mediante la modificación análoga de las estructuras de electrones, conduciendo a una quimisorción intermedia optimizada y una transferencia de electrones facilitada.
Tal comprensión sincrética debería contribuir a futuras investigaciones. "Creemos que el dopaje de heteroátomos específicos en los bordes defectuosos altera de manera más efectiva las estructuras de electrones y logra actividades de ORR óptimas para los electrocatalizadores libres de metales".
