Un grupo de investigación internacional ha mejorado la capacidad del grafeno para catalizar la 'reacción de evolución del hidrógeno', que libera hidrógeno como resultado de pasar una corriente electrónica a través del agua. Diseñaron un electrocatalizador de grafeno pronosticado matemáticamente y confirmaron su rendimiento utilizando electroquímicos de alta resoluciónmicroscopía y modelado computacional. Los hallazgos fueron publicados en la revista Ciencia avanzada .
Akichika Kumatani del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales de la Universidad de Tohoku AIMR, Tatsuhiko Ohto de la Universidad de Osaka, Yoshikazu Ito de la Universidad de Tsukuba y colegas en Japón y Alemania descubrieron que agregar 'dopantes' de nitrógeno y fósforo alrededor de los bordes bien definidos del grafenolos agujeros mejoraron su capacidad de electrocatalizar la reacción de evolución de hidrógeno.
Los catalizadores a base de grafeno tienen una ventaja sobre los catalizadores a base de metales en que son estables y controlables, lo que los hace adecuados para su uso en celdas de combustible, dispositivos de almacenamiento y conversión de energía, y en la electrólisis del agua. Sus propiedades se pueden mejorar haciendo múltiplescambios simultáneos en sus estructuras. Pero los científicos necesitan poder "ver" estos cambios a nanoescala para comprender cómo trabajan juntos para promover la catálisis.
Kumatani y sus colegas utilizaron la microscopía de células electroquímicas de barrido SECCM desarrollada recientemente para la observación directa a subescala 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 el grafenolos electrocatalizadores afectan sus actividades electroquímicas. Este tipo de observación no es posible utilizando enfoques convencionales.
El equipo sintetizó un electrocatalizador hecho de una hoja de grafeno llena de agujeros matemáticamente pronosticados con bordes bien definidos. Los bordes alrededor de los agujeros aumentan el número de sitios activos disponibles para que ocurran reacciones químicas. Doparon la hoja de grafeno agregando nitrógeno yátomos de fósforo alrededor de los bordes de los agujeros.El electrocatalizador a base de grafeno se usó 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 agregar dopantes de nitrógeno y fósforo mejora el contraste de las cargas positivas y negativas en los átomos que rodean el agujerobordes, aumentando su capacidad para transportar una corriente eléctrica.
Los electrocatalizadores de grafeno holey dopado 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 del borde del grafeno en los electrocatalizadores a base de grafeno a través de la visualización local de actividades electroquímicas", concluyen los investigadores.
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Materiales proporcionado por Universidad de Tohoku . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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