Les scientifiques de l'Université Tsinghua, Chine, et l'Université technologique de Nanyang, Singapour, ont conçu une architecture de nanocarbone intrinsèquement dispersée hybridant du graphène dopé N et des SWCNTs, qui peut servir d'électrocatalyseur bifonctionnel supérieur pour les réactions de réduction et d'évolution de l'oxygène.

De nos jours, Les systèmes énergétiques renouvelables et à haute capacité tels que les piles à combustible et les batteries métal-air sont fortement souhaités pour alimenter la société de manière durable. "En tant que réactions d'électrodes clés pour de tels systèmes énergétiques, ORR et REL, abréviation de réduction d'oxygène et réaction de dégagement d'oxygène, sont des processus multi-électrons et cinétiquement lents. Par conséquent, des électrocatalyseurs à haute efficacité pour ces réactions sont nécessaires pour augmenter la vitesse de réaction, " dit le Dr Qiang Zhang, professeur agrégé au Département de génie chimique, Université de Tsinghua. « Malgré une activité catalytique élevée, les catalyseurs classiques de métaux nobles comme le Pt, Ru, et Ir, souffrent du coût élevé et de la mauvaise stabilité. Par conséquent, les scientifiques recherchent des catalyseurs de substitution à partir de métaux non nobles et même de matériaux non métalliques. Les matériaux nanocarbonés dopés aux hétéroatomes offrent une réactivité et des performances catalytiques bien améliorées. Notre groupe a exploré la croissance in situ de graphène dopé N et d'hybrides SWCNT et leurs performances électrocatalytiques supérieures pour l'ORR et l'OER."

"Les hydroxydes doubles en couches ont été utilisés comme catalyseur bifonctionnel pour la croissance simultanée de graphène et de SWCNT, formant le réseau interconnecté tridimensionnel, " raconte le professeur Fei Wei Phys.org .

Réellement, Le groupe de Zhang a effectué de nombreuses recherches sur la synthèse de matériaux nanocarbonés hiérarchiques avec les hydroxydes doubles en couches comme catalyseurs et a réalisé de grands progrès et produit de nombreux excellents articles. « En ce qui concerne les deux matériaux nanocarbonés typiques, NTC 1D et nanofeuillets de graphène 2D, les deux sont enclins à s'agréger ou à s'empiler en raison des fortes forces de van der Waals. Cela entrave la pleine utilisation des sites actifs pour les réactions catalytiques. En réalité, l'intégration du graphène et des NTC dans un matériau hybride est une stratégie assez prometteuse pour améliorer la dispersion du graphène et des NTC, hériter des avantages du graphène et des NTC, et d'obtenir un réseau 3D électronique et thermique conducteur performant et performant, " Qiang dit. " Les catalyseurs bifonctionnels dérivés de FeMoMgAl LDH intégrés avec des Fe NP thermiquement stables ont non seulement servi de catalyseur efficace pour la croissance de SWCNT dopés N, mais a également fourni un substrat lamellaire pour le dépôt de modèles de graphène dopé N. Par conséquent, la croissance simultanée du graphène dopé N et des SWCNTs peut être réalisée avec la connexion de liaison covalente C-C. »

Sur la base de ce concept, Gui-Li Tian, un étudiant diplômé et le premier auteur, développé une stratégie de dépôt chimique en phase vapeur in situ pour la synthèse hybride graphène/SWCNT. « Le graphène dopé N et les SWCNT sont intrinsèquement dispersés dans cette nouvelle architecture de carbone et les groupes fonctionnels contenant de l'azote sont bien dispersés dans l'échafaudage conducteur. Les hybrides tels que fabriqués ont une grande surface, haute porosité et aussi haut degré graphitique. Tous ces caractères rendent les hybrides graphène/SWCNT dopés N avec une activité ORR élevée, bien supérieur à deux composants constitutifs et même comparable aux catalyseurs commerciaux à 20 % en poids Pt/C avec une bien meilleure durabilité et résistance à l'effet de croisement, " dit Gui-Li. De plus, ils ont démontré que cette nouvelle architecture de carbone est également électrocatalytiquement active pour les REL.

« Cela a indiqué que le matériau hybride est un électrocatalyseur bifonctionnel prometteur pour les piles à combustible régénératives et les batteries rechargeables métal-air impliquant l'électrochimie de l'oxygène, " dit le Dr Dingshan Yu de l'Université technologique de Nanyang, Singapour.

« Nous prévoyons que par rapport au graphène aléatoire et aux NTC, davantage d'applications potentielles pourraient survenir si les propriétés électriques et optiques améliorées des hybrides graphène/CNT dopés étaient pleinement exploitées, " dit Qiang. De plus, ce travail fournit également une plate-forme structurelle vers la conception de matériaux d'interconnexion 3D avec des voies d'électrons extraordinaires ainsi qu'une surface/interface accordable qui peuvent être utilisées dans des zones, comme la catalyse, séparation, l'administration de médicaments, conversion et stockage d'énergie.