Les catalyseurs sont d'une importance primordiale pour obtenir une efficacité élevée et un profit économique pour la plupart des réactions hétérogènes. Étant donné que la réaction catalytique ne se produit que lorsque les réactifs atteignent les sites actifs, ces sites actifs doivent être exposés au maximum à la surface dans un catalyseur à haute efficacité.
Sur la base de cette considération, Des chercheurs de l'Université Tsinghua en Chine ont maintenant démontré un matériau de nanocâble de carbone coaxial unique avec un nanotube de carbone vierge (CNT) comme noyau et une couche de carbone ridée dopé à l'azote comme coque. Les nanocâbles coaxiaux, notée CNT@NCNT, sont enrichis en N atomes dopants à la surface, c'est-à-dire les sites actifs induits par l'incorporation de N sont exposés à la surface. L'équipe a rapporté ses recherches dans Matériaux fonctionnels avancés , numéro 38, tome 24.
"Nanotubes de carbone, un matériau fonctionnel super star, ont attiré beaucoup d'attention depuis leur découverte en 1991. De plus, l'incorporation d'hétéro-atomes dans le squelette des NTC confère aux NTC dopés une réactivité chimique améliorée et de bonnes performances catalytiques séquentiellement. » Le Dr Qiang Zhang a déclaré à Phys.Org, "Pour la plupart des NTC dopés N (NCNT) directement synthétisés par croissance par dépôt chimique en phase vapeur et dopage chimique, les atomes N incorporés se répartissent uniformément. Par conséquent, les sites actifs induits par les atomes dopants dans les parois internes sont difficilement accessibles et par conséquent contribuaient à peine à l'activité catalytique."
"Outre, la structure en bambou ou la structure en cupules des NCNTs de routine rend l'empilement complexe des couches de graphène, ce qui entrave le transport rapide des électrons le long des couches de graphène. Par conséquent, il est hautement souhaitable qu'un électrocatalyseur NCNT efficace incorpore des atomes de N dans des nanotubes de carbone de manière sélective sur la surface pour exposer complètement les sites actifs tandis que les parois internes continues de CNT sont bien préservées.
À cet égard, Gui-Li Tian, un étudiant diplômé et le premier auteur de l'article, développé une facilité, méthode en phase non liquide pour fabriquer les nanocâbles coaxiaux CNT@NCNT. "Une fine couche de carbone turbostratique contenant de l'azote peut se développer par épitaxie sur les parois extérieures des NTC vierges par CVD de composés contenant de l'azote, aboutissant aux nanocâbles coaxiaux constitués par les parois cylindriques de NTC et les couches froissées dopées N, " dit Tian. " Les atomes de dopant N sont enrichis à la surface des nanocâbles bruts de fabrication. Et les murs intérieurs sont restés intacts comme prévu, conduisant à une conductivité électrique élevée de 3,3 S cm-1. Combinant à la fois les mérites des atomes dopants N enrichis en surface et des parois internes continues, CNT@NCNT possède une activité électrocatalytique supérieure. "
Nanocâbles de carbone coaxiaux dopés N avec des sites actifs efficacement exposés à la surface pour la réaction de réduction et d'évolution de l'oxygène. (Image :Département de génie chimique, Université de Tsinghua)
« Par rapport aux NCNT dopés en masse de routine à un niveau de dopage similaire, le catalyseur CNT@NCNT a permis une densité de courant plus élevée et une surtension plus faible à la fois pour la réduction de l'oxygène et la réaction d'évolution."
Le professeur Fei Wei a ajouté, "Les atomes N incorporés sont concentrés à la surface de CNT@NCNT. Par conséquent, les sites actifs induits par les atomes dopants sont plus accessibles aux réactifs. Par ailleurs, la polarité et l'hydrophilie du matériau carboné sont également améliorées, ce qui a facilité le transfert de masse à l'interface entre le matériau de l'électrode et l'électrolyte. En outre, une conductivité électrique élevée attribuée aux parois internes intactes favorise un transfert de charge rapide des couches dopées N vers les échafaudages CNT. Par conséquent, CNT@NCNT offre des performances électrocatalytiques supérieures par rapport aux NCNT de routine."
"En plus des catalyseurs supérieurs pour l'électrochimie de l'oxygène, Les nanocâbles coaxiaux CNT@NCNT sont également une bonne plate-forme pour une exposition complète des sites actifs pour des interfaces robustes de composites hautes performances, ainsi que des catalyseurs et/ou des supports de nanoparticules métalliques efficaces pour la réaction d'oxydation sélective et des biocapteurs, etc." a déclaré le professeur Dang-Sheng Su de l'Institut de recherche sur les métaux, Académie chinoise des sciences, à Shenyang, Chine, un co-auteur de l'article.
Les nanostructures à hétérojonction de surface ne se limitant pas aux NTC, les chercheurs prévoient une nouvelle branche de la chimie évoluant dans le domaine de l'exposition complète des sites actifs à travers les systèmes hétérogènes 3D.
