石墨烯基材料可以彻底改变清洁能源

专家表示，廉价高效的燃料电池和水电解槽将构成以氢燃料为基础的经济的基石，氢燃料是最有前途的清洁和可持续的化石燃料替代品之一。

然而，这些设备依赖于一种叫做电催化剂的材料来工作。因此，开发高效、低成本的催化剂对于使氢燃料成为可行的选择至关重要。为了应对这一挑战，阿尔托大学的研究人员开发了一种新的催化剂材料来改进这些技术。

氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是最重要的电化学反应，它们限制了氢燃料电池(为汽车和发电提供动力)、水电解槽(用于清洁制氢)和高容量金属空气电池的效率。

阿尔托的物理学家和化学家与法国国家科学研究中心(CNRS)和奥地利维也纳的研究人员合作，开发了一种新的催化剂，比目前可用的其他双功能催化剂更有效地推动这些反应。

研究人员还发现，他们的新催化剂的电催化活性可以根据催化剂沉积材料的选择而显著改变。

阿尔托大学领导这项工作的研究员Mohammad Tavakkoli博士说:“我们希望用高活性和稳定的替代品取代传统的昂贵和稀缺的基于铂和铱等贵金属的催化剂，这些替代品由过渡金属、碳和氮等廉价和地球上丰富的元素组成。”

在与CNRS的合作中，该团队制造了一种高度多孔的石墨烯-碳纳米管杂化物，并将其掺杂了已知的其他元素的单原子，以制成良好的催化剂。石墨烯和碳纳米管(CNT)分别是碳的单原子厚度的二维和一维同素异形体，由于与传统材料相比具有突出的性能，它们在学术界和工业界都引起了兴趣。

该团队还开发了一种简单且可扩展的方法来同时生长这些纳米材料，将它们的特性组合在单一产品中。

“我们是世界上可扩展合成双壁碳纳米管的领先团队之一。这里的创新之处在于修改了我们的制造工艺，以制备这些独特的样品，”法国国家科学研究中心的研究主任伊曼纽尔·弗拉胡特博士说。

在这一步过程中，该团队还可以用氮和/或金属(钴和钼)单原子掺杂石墨烯，这是一种有前途的生产单原子催化剂(SACs)的策略。

在催化科学中，孤立的金属原子分散在固体载体上的SACs由于其最大的原子利用效率和SACs的独特性质而引起了广泛的研究关注。

阿尔托和法国国家科学研究中心的团队指出，与其他制造SACs的策略相比，他们的方法简单易行，一步完成，成本也很低。

催化剂通常沉积在底层衬底上。这种底物对催化剂的最终反应性所起的作用通常被研究人员所忽视。然而，对于这种新型催化剂，阿尔托大学和法国国家科学研究中心的团队发现，底物在其效率中起着重要作用。

研究人员发现，他们的材料的多孔结构允许在其与基底的界面处形成更活跃的催化剂位点。因此，为了应对这一问题，他们开发了一种新的电化学显微镜分析方法，来测量这个界面如何有助于催化反应，并产生最有效的催化剂。

该团队还希望他们对多孔材料催化活性的衬底效应的研究为电化学能量器件的高性能电极的合理设计奠定基础，并为未来的研究提供指导。