Studie onthult het theoretische principe dat op koolstof gebaseerde katalysatoren elektrochemische reacties bevorderen

Op koolstof gebaseerde katalysatoren hebben de afgelopen decennia veel aandacht gekregen als een economisch alternatief voor edelmetaalkatalysatoren voor hernieuwbare energiesystemen.

Een recente studie, gelieerd aan UNIST, heeft het theoretische principe onthuld dat op koolstof gebaseerde katalysatoren elektrochemische reacties bevorderen. De sleutel hiervoor is dat de aanwezigheid van koolstofdefecten – samen met de structurele flexibiliteit en chemische reacties – worden gecombineerd om de verbetering van de katalytische activiteit mogelijk te maken, zelfs zonder de noodzaak van edelmetaalkatalysatoren, zoals platina (Pt).

De zuurstofreductiereactie (ORR) is een belangrijke elektrochemische reactie en wordt veel toegepast in toepassingen van hernieuwbare energie, zoals waterstofbrandstofcellen, watersplitsing en metaal-luchtbatterijen (MAB’s). Momenteel worden hiervoor op grote schaal commerciële Pt-gebaseerde katalysatoren (PBC’s) gebruikt vanwege hun superieure katalytische activiteit. De hoge prijs, gemakkelijke CO-vergiftiging en lage duurzaamheid van Pt belemmeren echter de grootschalige toepassingen van PBC’s, aldus het onderzoeksteam.

Op koolstof gebaseerde katalysatoren worden actief bestudeerd als toonaangevend alternatief materiaal en de efficiëntie en samenstelling van katalysatoren worden gestaag verbeterd. De oorzaak van op koolstof gebaseerde katalysatoren die elektrochemische reacties bevorderen, is echter niet duidelijk, waardoor de ontwikkeling van op koolstof gebaseerde katalysatoren wordt vertraagd.

In deze studie toonde het onderzoeksteam aan hoe twee soorten defecten – koolstofvacatures en pyridine-N-doteerstoffen, in metaalvrije koolstofmaterialen – O verbeteren₂ adsorptie, een kritische reactiestap voor het activeren van de ORR.

“Onze berekeningen en structurele analyse onthulden dat defecten de naburige koolstoflocaties aan de rand in staat stellen om O te adsorberen₂ door de structurele flexibiliteit te verbeteren en zo de energiebarrière voor de sp2/sp3-overgang van het koolstofatoom te verlagen,” merkte het onderzoeksteam op. “De niet-lokale structurele omgeving is dus net zo cruciaal als de directe interactie tussen de adsorptieplaats en adsorbaat in de chemische reactie.”

Hun bevindingen tonen verder aan dat pyridine-N voordelen heeft ten opzichte van koolstofvacatures in termen van structurele stabiliteit. “Onze studie is gebaseerd op tal van theoretische en experimentele onderzoeken van koolstofmaterialen en komt overeen met katalytische experimentele resultaten”, voegde het onderzoeksteam eraan toe. “Bovendien kunnen onze resultaten worden uitgebreid tot algemene chemische reacties in defecte koolstofmaterialen en zullen ze onderzoek naar defectengineering stimuleren.”

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Nano.