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 predicho matemáticamente y confirmaron su rendimiento utilizando microscopía electroquímica de alta resolución y modelado computacional. Los hallazgos fueron publicados en la revista Advanced Science.
Akichika Kumatani del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (AIMR) de la Universidad de Tohoku, Tatsuhiko Ohto de la Universidad de Osaka, Yoshikazu Ito de la Universidad de Tsukuba y sus colegas en Japón y Alemania descubrieron que la adición de «dopantes» de nitrógeno y fósforo en los bordes bien definidos de los orificios de grafeno mejoró Su capacidad para electrocatalizar la reacción de evolución del hidrógeno.
Los catalizadores basados en grafeno tienen una ventaja sobre los basados en metales, ya que son estables y controlables, por lo que son adecuados para su uso en celdas de combustible, dispositivos de almacenamiento y conversión de energía y en electrólisis del agua. Sus propiedades pueden mejorarse haciendo múltiples cambios simultáneos en sus estructuras. Pero los científicos deben poder «ver» estos cambios en la nanoescala para comprender cómo trabajan juntos para promover la catálisis.
Kumatani y sus colegas utilizaron la microscopía electroquímica de barrido recientemente desarrollada (SECCM, por sus siglas en inglés) para la observación directa y sub-microescala 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 los electrocatalizadores de grafeno 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 predichos matemáticamente con bordes bien definidos. Los bordes alrededor de los orificios aumentan el número de sitios activos disponibles para que ocurran reacciones químicas. Doparon la lámina de grafeno agregando átomos de nitrógeno y fósforo alrededor de los bordes de los orificios. El electrocatalizador basado en grafeno se usó luego para mejorar la liberación de hidrógeno durante la electrólisis.
Usando SECCM, el equipo encontró 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 la adición de dopantes de nitrógeno y fósforo mejora el contraste de las cargas positivas y negativas en los átomos que rodean los bordes de los orificios, lo que aumenta su capacidad para transportar una corriente eléctrica.
Los electrocatalizadores de grafeno holey dopados con nitrógeno y fósforo funcionaron mejor que los dopados con solo uno de los dos elementos químicos.
«Estos hallazgos abren un camino para la ingeniería a nivel atómico de la estructura del borde del grafeno en electrocatalizadores basados en grafeno a través de la visualización local de actividades electroquímicas», concluyeron los investigadores.
Via: UNIVERSIDAD DE TOHOKU
