Schéma du procédé développé pour fabriquer des catalyseurs NrGO. Le graphite naturel (avec un espacement d de 3,4 ) est chimiquement fonctionnalisé et exfolié à l'aide de permanganate de potassium et d'acide sulfurique (méthode de Hummers modifiée) pour produire une poudre GO avec un espacement d d'environ 1 nm. GO est ensuite soumis à différents traitements de rinçage au solvant suivis d'un séchage sous vide pour éliminer efficacement l'eau intercalée non liée comme indiqué par la diminution de l'espacement d (8,6 à 5,4 , selon le solvant utilisé pour le rinçage). Le GO séché obtenu est dopé à l'azote (NH3 à 850°C), conduisant à la formation de catalyseurs NrGO avec un espacement final d de 3,4 Å. Atomes :C (gris), Mn de KMnO4 (violet), N (bleu), O (rouge), et H (blanc). Crédit :U. Martinez et al. Avancées scientifiques (2016). DOI :10.1126/sciadv.1501178
(Phys.org)—Les piles à combustible nécessitent un catalyseur pour la réaction de réduction de l'oxygène. Un type de catalyseur est constitué de nanofeuillets d'oxyde de graphène dopé à l'azote. Les nanofeuillets d'oxyde de graphène sont facilement fonctionnalisés avec d'autres atomes tels que le bore, azote, ou du soufre, ainsi que des métaux tels que le fer, nickel, et cobalt, ce qui en fait un matériau polyvalent pour des applications pratiques.
Le processus de fabrication de nanofeuillets d'oxyde de graphène se fait dans un milieu aqueux et entraîne la présence de molécules d'eau entre les feuilles de graphène. Plusieurs chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos, l'Université du Nouveau-Mexique, Laboratoire national d'Oak Ridge, et Rutgers University ont caractérisé les effets de l'élimination de ces molécules d'eau intercalées. Ils ont découvert que les molécules d'eau affectent non seulement la structure physique des nanofeuillets et la concentration des hétéroatomes qui y sont ajoutés, mais l'élimination des molécules d'eau modifie l'activité catalytique des nanofeuillets. Leur travail apparaît dans Avancées scientifiques .
Le graphite est oxydé pour former des feuilles d'oxyde de graphène. Ces feuilles ont généralement des molécules d'eau intercalées entre les feuilles. Pour faire le catalyseur, ces feuillets sont réduits et dopés avec un hétéroatome pour former des feuillets de graphène dopé. Peu d'études ont été menées pour comprendre les effets des molécules d'eau intercalées sur les nanofeuillets d'oxyde de graphène.
En utilisant un séchage sous vide et un lavage au solvant avec des solvants qui satisfont à certains paramètres de solubilité Hansen, Martinez, et al. ont pu sécher des feuilles d'oxyde de graphène et éliminer les molécules d'eau intercalées entre les feuilles. Les études XRD vérifient que la distance interfeuilles a diminué de manière significative après séchage sous vide et encore plus après séchage au solvant. La distance interfeuilles est passée de 10,8 à 8,6 après séchage sous vide, puis à 7,5 après séchage au solvant avec de l'éthanol ou de l'éther diéthylique. Par ailleurs, Les données XRD ont également montré des signes d'ordre à longue distance.
Les données XPS et IR ont également vérifié que les feuilles manquaient d'eau intercalée. Des études de dynamique moléculaire ont confirmé que les solvants modifient considérablement la structure des feuilles d'oxyde de graphène intercalées dans l'eau. Notamment, les feuilles traitées à l'éther présentaient une sorte de "froissage" qui peut être en partie la raison pour laquelle les feuilles traitées à l'éther présentaient la meilleure activité catalytique pour la réaction de réduction de l'oxygène.
Le dopage à l'azote a été réalisé en utilisant une méthode connue. Martinez, et al. traité les feuilles d'oxyde de graphène rincées au solvant et séchées sous vide avec de l'ammoniac à haute température. Ils ont noté que les feuilles traitées à l'éthanol et à l'éther avaient de gros trous dans les feuilles, ce qui est utile pour la catalyse car il expose les sites actifs intercouches.
Martinez, et al. puis testé leur nouveau catalyseur d'oxyde de graphène réduit dopé à l'azote (NrGO) avec une électrode à disque à anneau rotatif dans un milieu acide. Ils ont recherché les trois caractéristiques clés d'un bon catalyseur :faible surtension, potentiel demi-onde élevé, et la sélectivité pour la réduction à quatre électrons de l'oxygène en eau. La surtension est le potentiel supplémentaire au-delà du potentiel théorique pour une réaction de réduction de l'oxygène (E o =1,23 V contre RHE). L'oxygène peut subir soit une réaction de réduction à quatre électrons pour produire de l'eau, soit une réaction de réduction à deux électrons pour former du peroxyde d'hydrogène. Plus le catalyseur est sélectif pour la réaction à quatre électrons, le meilleur.
Ils ont constaté que le NrGO traité avec de l'éther diéthylique présentait la meilleure surtension, potentiel demi-onde, et des valeurs de sélectivité par rapport au séché sous vide, traité à l'éthanol, et des feuilles d'oxyde de graphène non traitées. Martinez, et al. ont rapporté qu'il s'agit de la réactivité de réduction de l'oxygène la plus élevée à ce jour pour les catalyseurs NrGO en milieu acide.
Cette recherche fournit des informations précieuses sur la façon dont l'eau intercalée affecte l'activité catalytique des nanofeuillets d'oxyde de graphène. Selon le Dr Gautam Gupta, chercheur principal dans cette étude, cette étude est importante pour les piles à combustible à membrane échangeuse de protons car elles nécessitent des conditions acides. Interrogé sur les implications de ses recherches, Le Dr Gupta a dit :"C'est le premier rapport qui met l'accent sur le rôle clé de l'eau dans la catalyse et la recherche a des implications significatives dans la conception de matériaux 2D tels que les dichalcogénures de métaux de transition pour les applications énergétiques."
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