El trabajo de detective de los químicos de la Universidad de Rice ha definido un engaño en los catalizadores de grafeno que, hasta ahora, ha desafiado la descripción.
El grafeno ha sido ampliamente probado como reemplazo del platino costoso en aplicaciones como las celdas de combustible, donde el material cataliza la reacción de reducción de oxígeno ORR esencial para convertir la energía química en energía eléctrica.
Debido a que el grafeno, la forma de carbono con un grosor de átomo, no es naturalmente metálico, los investigadores se han desconcertado por su actividad catalítica cuando se usa como cátodo.
No se pregunten más, dijeron el químico de Rice James Tour y su equipo, que descubrieron que pequeñas cantidades de contaminación de manganeso por precursores de grafito o reactivos se esconden en la red de grafeno. En las condiciones adecuadas, esos pedazos de metal activan el ORR. Tour dijo quetambién proporciona información sobre cómo se pueden mejorar los catalizadores ultrafinos como el grafeno.
La investigación aparece en la revista carbono .
Debido a que el contraste entre los átomos de carbono y manganeso es muy leve, los rastros de átomos de los contaminantes no se pueden ver con las técnicas de caracterización tradicionales como la difracción de rayos X y la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X XPS.
"Los laboratorios han informado sobre catalizadores de grafeno 'sin metal', y la evidencia que han reunido podría interpretarse fácilmente para demostrar eso", dijo Tour. "De hecho, las herramientas que estaban usando simplemente no eran lo suficientemente sensibles como para mostrarlos átomos de manganeso "
Una herramienta más sensible, la espectrometría de masas de plasma acoplada inductivamente ICP-MS, vio claramente los intrusos entre las muestras hechas por el laboratorio de Rice.
Las muestras de prueba de grafeno dopadas con nitrógeno se redujeron del óxido de grafeno y luego se lavaron con ácido entre una y seis veces. Con cada lavado, la exploración ICP-MS mostró menos átomos de manganeso y no detectó ninguno en las muestras de grafeno lavadas seis veces.lavado, la actividad catalítica cambió totalmente y mostró que la actividad anterior se debió a esos átomos metálicos residuales.
El laboratorio informó que no se observaron átomos de manganeso en ninguna de las mismas muestras usando herramientas analíticas convencionales, incluyendo XPS o microscopía electrónica de transmisión.
Los investigadores caracterizaron la actividad ORR de las muestras y descubrieron que el nitrógeno-grafeno lavado dos veces era más efectivo. Estas muestras tendían a incorporar átomos individuales de manganeso en la estructura del grafeno, lo que facilitaba la reducción total de oxígeno a través de un proceso de cuatro electrones en el quecuatro electrones se transfieren a átomos de oxígeno, generalmente de hidrógeno.
"En un proceso de cuatro electrones, el oxígeno se reduce a agua o hidróxido", dijo el estudiante graduado de Rice Ruquan Ye, autor principal del artículo. "Sin embargo, el peróxido se forma en un proceso de dos electrones, lo que resulta en una difusión más baja-densidad de corriente limitada y genera especies de oxígeno reactivas peligrosas ". Dijo que sin metal, el ORR en grafeno es mucho menos eficiente.
Tour dijo que los resultados deberían conducir a la investigación del papel de los metales traza en otros materiales que se consideran libres de metales.
"Los catalizadores de un solo átomo pueden esconderse entre el grafeno, y su actividad es profunda", dijo. "Entonces, lo que a veces se ha atribuido al grafeno fue realmente el metal enterrado en la superficie del grafeno. El grafeno es bueno por derecho propio, pero en estos casos, estos polizones de átomos de metal único lo hacían ver aún mejor "
Los coautores son los estudiantes de posgrado Luqing Wang y Yilun Li y Boris Yakobson, el Profesor Karl F. Hasselmann de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería y profesor de química; Rubén Mendoza-Cruz de Rice y la Universidad de Texas en San Antonio; MiguelJosé Yacamán de la Universidad de Texas en San Antonio; y Juncai Dong, Peng-Fei An y Dongliang Chen de la Academia de Ciencias de China, Beijing.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación Naval, el Centro Nacional de Recursos de Investigación, la Fundación Nacional de Ciencia-Alianzas para la Investigación y Educación en Materiales, el Instituto Nacional de Minorías de los Institutos Nacionales de SaludSalud y disparidades de salud, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Fundación Jianlin Xie del Instituto de Física de Alta Energía, Academia de Ciencias de China.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :