Une équipe de recherche coréenne de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), Corée du Sud, a développé un électrocatalyseur sans métal stable et performant pour l'ORR et les travaux de recherche ont été publiés dans une revue scientifique, Nanoéchelle par la Société royale de chimie (RSC). (Titre :« Nanofeuille de graphène dopé par hétéroatome à base de fonctionnalisation covalente en tant qu'électrocatalyseurs sans métal pour la réaction de réduction de l'oxygène »)

La disponibilité limitée de combustibles fossiles et la demande croissante d'énergie ont stimulé des recherches intenses sur les systèmes de conversion et de stockage d'énergie. Les piles à combustible ont reçu une attention considérable parmi les nombreux choix de systèmes de stockage d'énergie, en raison de leur densité énergétique potentielle remarquable et des enjeux environnementaux.

Les électrocatalyseurs pour la réduction de l'oxygène sont des composants critiques qui peuvent considérablement améliorer les performances des piles à combustible, qui sont perçus comme la puissance des futurs véhicules électriques. Pour des piles à combustible plus économiques, les ingénieurs ont besoin d'électrocatalyseurs rapides et efficaces qui séparent l'hydrogène gazeux pour produire de l'électricité.

L'équipe de recherche UNIST dirigée par le professeur Byeong-Su Kim de l'École interdisciplinaire de l'énergie verte, UNIST, a présenté une conception et une caractérisation uniques de nouvelles nanofeuillets de graphène dopés par hétéroatomes préparés par la fonctionnalisation covalente de diverses petites molécules organiques avec un traitement thermique ultérieur. Ce travail a été proposé et réalisé par l'étudiant de premier cycle Minju Park de l'École interdisciplinaire d'énergie verte, UNIST.

Il existe de nombreuses méthodes disponibles pour préparer du graphène dopé à l'azote (dopé N). Ces approches introduisent avec succès des atomes d'azote dans le cadre du graphène. Cependant, beaucoup d'entre eux nécessitent des précurseurs de gaz toxiques, et sont incapables de contrôler le degré de dopage et le type de fonctionnalité azotée.

Ici, l'équipe de recherche UNIST a présenté une approche simple pour la fonctionnalisation chimique vers des nanofeuillets de graphène hétéroatome-dope avec de petites molécules organiques à utiliser comme électrocatalyseurs pour la réaction de réduction de l'oxygène.

Voici comment le matériau a été préparé :La poudre d'oxyde de graphène a été préparée à partir de poudre de graphite avec oxydation et exfoliée pour donner une dispersion brune d'oxyde de graphène (GO) sous ultrasons. Les nanofeuillets d'oxyde de graphène ont divers groupes fonctionnels sur le bord tels que carboxylique (-COOH), hydroxyle (-OH), et époxy (-C-O-C).

Lorsque la suspension GO a réagi avec des amines en présence de 1-éthyl-3-(3-diméthylaminopropyl)carbodiimide (EDC), un carbodiimide soluble dans l'eau était généralement obtenu sous forme de chlorhydrate, groupe carboxylique dans GO a réagi avec l'amine et a formé un groupe amide. L'équipe de recherche l'a défini comme « NGOn », qui était de l'oxyde de graphène fonctionnalisé chimiquement. Les suspensions de NGOn ont été recuites à 800 ℃ pendant 1h sous atmosphère d'argon avec four tubulaire, et de l'azote a été dopé dans les nanofeuillets d'oxyde de graphène avec élimination de l'oxygène nommé « NRGOn ».

En outre, l'équipe de recherche UNIST a démontré comment les performances électrochimiques peuvent être améliorées en faisant varier le degré et les configurations du dopant azoté. Plus loin, ils ont étendu l'approche vers l'introduction d'autres hétéroatomes, comme le bore et le soufre, dans la nanofeuille de graphène.

"Les nanofeuillets de graphène dopé à l'azote ont montré une stabilité supérieure par rapport aux catalyseurs Pt/C commerciaux. Cette approche a également été étendue avec succès à d'autres hétéroatomes tels que le bore et le soufre sur les nanofeuillets de graphène, ", a déclaré Minju Park.

"Nous prévoyons que cette étude offrira des opportunités et des perspectives pour le développement ultérieur d'électrocatalyseurs hybrides, " a déclaré le professeur Kim, présentant les futures possibilités de recherche.