Los átomos de carbono se depositaron sobre un sustrato mediante deposición química de vapor. Las nanopartículas de óxido de silicio en el sustrato aseguraron la formación de agujeros. Se agregaron átomos de nitrógeno y fósforo. En última instancia, una capa única, dopado Se formó un catalizador de grafeno agujereado. Crédito:A. Kumatani
Un grupo de investigación internacional ha mejorado la capacidad del grafeno para catalizar la reacción de evolución del hidrógeno, que libera hidrógeno como resultado del paso de una corriente electrónica a través del agua. Diseñaron un electrocatalizador de grafeno predicho matemáticamente, y confirmó su desempeño utilizando microscopía electroquímica de alta resolución y modelado computacional. Los hallazgos fueron publicados en la revista Advanced Science.
Akichika Kumatani del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (AIMR) de la Universidad de Tohoku, Tatsuhiko Ohto de la Universidad de Osaka, Yoshikazu Ito de la Universidad de Tsukuba y sus colegas en Japón y Alemania descubrieron que la adición de dopantes de nitrógeno y fósforo alrededor de los bordes bien definidos de los orificios de grafeno mejoraba su capacidad para electrocatalizar la reacción de evolución de hidrógeno.
Los catalizadores basados en grafeno tienen una ventaja sobre los basados en metales en que son estables y controlables. haciéndolos adecuados para su uso en pilas de combustible, dispositivos de almacenamiento y conversión de energía, y en electrólisis de agua. Sus propiedades pueden mejorarse realizando múltiples cambios simultáneos en sus estructuras. Pero los científicos deben poder ver estos cambios a nanoescala para comprender cómo funcionan juntos para promover la catálisis.
Kumatani y sus colegas utilizaron la microscopía de células electroquímicas de barrido (SECCM) desarrollada recientemente para Observación a sub-microescala de las reacciones electroquímicas que ocurren cuando la corriente pasa a través del agua durante la electrólisis. También les permitió analizar cómo los cambios estructurales en los electrocatalizadores de grafeno afectan sus actividades electroquímicas. Este tipo de observación no es posible utilizando enfoques convencionales.
Imagen óptica y mapeo Raman (ID / IG) de una región de borde. Crédito:A. Kumatani
El equipo sintetizó un electrocatalizador hecho de una hoja de grafeno llena de agujeros predichos matemáticamente con bordes bien definidos. Los bordes alrededor de los orificios aumentan el número de sitios activos disponibles para que ocurran reacciones químicas. Doparon la hoja de grafeno agregando átomos de nitrógeno y fósforo alrededor de los bordes del agujero. A continuación, se utilizó el electrocatalizador a base de grafeno para mejorar la liberación de hidrógeno durante la electrólisis.
Usando SECCM, el equipo descubrió que su electrocatalizador de grafeno mejoró significativamente la formación de una corriente en respuesta a la liberación de energía durante la electrólisis. Sus cálculos computacionales sugieren que la adición de dopantes de nitrógeno y fósforo mejora el contraste de cargas positivas y negativas en los átomos que rodean los bordes del agujero. aumentando su capacidad para transportar una corriente eléctrica.
Los electrocatalizadores de grafeno perforados dopados con nitrógeno y fósforo funcionaron mejor que los dopados con solo uno de los dos elementos químicos.
"Estos hallazgos allanan el camino para la ingeniería a nivel atómico de la estructura de borde del grafeno en electrocatalizadores basados en grafeno a través de la visualización local de actividades electroquímicas". "concluyen los investigadores.
