Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.

In der Welt der Energie ist das Bestreben, Sauerstoff aus der Luft in Elektrizität umzuwandeln, eine zentrale Herausforderung. Dieser Prozess, bekannt als Sauerstoffreduktionsreaktion, ist das Herzstück von Brennstoffzellen – Geräten, die alles von Autos bis hin zu Häusern ohne Verschmutzung mit Strom versorgen könnten. Um diese Reaktion jedoch effizient ablaufen zu lassen, werden meist teure Metalle wie Platin benötigt. Wissenschaftler suchen schon lange nach günstigeren, häufiger vorkommenden Materialien, die dieselbe Aufgabe erfüllen können. Ein vielversprechender Kandidat ist Graphen, eine Kohlenstoffschicht, die so dünn ist, dass sie nur aus einem einzigen Atom besteht. Obwohl Graphen Elektrizität hervorragend leitet, ist es schwierig, es auf eine Weise an eine Oberfläche zu binden, die nützlich ist, und es benötigt oft Hilfe, um als Katalysator zu fungieren. Um dies zu lösen, haben sich Forscher selbstorganisierenden Monolagen zugewandt, bei denen es sich um einzelne Moleküllagen handelt, die sich automatisch wie Fliesen auf einem Boden auf einer Oberfläche ausrichten. Durch die Kombination dieser molekularen Fliesen mit Graphen hoffen Wissenschaftler, eine stabile, leitfähige Plattform zu schaffen, die andere Moleküle beherbergen kann, um die Reaktion zu beschleunigen.

Ein Forscher in Chile hat kürzlich ein solches System aufgebaut und dabei eine neue Art von Elektrode geschaffen, die diese Materialien mit Präzision schichtet. Er begann mit einer glatten Goldoberfläche und überzog sie mit einer einzelnen Schicht aus 4-MBT, einem Molekül, das als molekularer Abstandshalter fungiert. Auf diese Schicht legte er Blätter aus chemisch reduziertem Graphenoxid, einer Form von Graphen, die behandelt wurde, um Sauerstoff zu entfernen und seine Fähigkeit zur Stromleitung wiederherzustellen. Das Graphen haftete nicht direkt am Gold; stattdessen setzte es sich auf den hydrophoben, also wasserabweisenden, Enden der molekularen Abstandsschicht ab. Dies erzeugte eine sandwichartige Struktur, bei der das Gold durch einen dünnen organischen Film vom Graphen getrennt war. Der Forscher fügte dann Eisenphthalocyanin, ein Molekül, das Eisen enthält und dafür bekannt ist, Sauerstoff abzubauen, auf die Graphenblätter auf. Er fand heraus, dass diese spezifische Anordnung es den Eisenmolekülen ermöglichte, sicher auf dem Graphen zu sitzen, wodurch eine Oberfläche entstand, die besser bei der Reduktion von Sauerstoff war als frühere Versuche.

Um zu verstehen, wie gut diese neue Struktur funktionierte, führte der Forscher eine Reihe von Tests durch. Zuerst überprüfte er, wie leicht sich Elektrizität durch die Schichten bewegen konnte. Als er das Graphen auf den molekularen Abstandshalter platzierte, sank der elektrische Widerstand im Vergleich zum Abstandshalter allein signifikant. Dies bewies, dass die Graphenschichten die Lücke erfolgreich überbrückten und Elektronen frei zwischen der Goldbasis und der Außenwelt fließen ließen. Mit einem spezialisierten Mikroskop, das elektrischen Strom im Nanobereich misst, sah er, dass das Graphen ausgeprägte, hochleitfähige Inseln über die Oberfläche bildete. Diese Inseln waren nicht perfekt flach; das Mikroskop enthüllte, dass die Graphenschichten an einigen Stellen gefaltet und gestapelt waren, was eine raue, strukturierte Landschaft schuf. Diese Textur ist wichtig, da die Kanten und Falten von Graphen oft die Orte sind, an denen die aktivsten chemischen Reaktionen stattfinden.

Der Forscher untersuchte dann die Struktur des Graphens selbst mithilfe lichtbasierter Techniken. Die Analyse zeigte, dass das Material voller winziger Defekte und Unregelmäßigkeiten in seinem Kohlenstoffgitter war. Anstatt ein Makel zu sein, sind diese Unvollkommenheiten tatsächlich vorteilhaft für diese Anwendung, da sie mehr Stellen für chemische Reaktionen bieten. Als er die eisenhaltigen Moleküle auf diese Graphenoberfläche hinzufügte, bestätigten die Tests, dass die Moleküle sich sicher an die Oberfläche gebunden hatten. Die Eisenatome befanden sich in dem korrekten chemischen Zustand, um als Katalysator zu wirken, und die Stickstoffatome innerhalb der Moleküle waren korrekt positioniert, um mit dem Graphen zu interagieren.

Schließlich testete der Forscher die Fähigkeit des Systems, Sauerstoff in einer einfachen wässrigen Lösung zu reduzieren. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die neue Elektrode, mit ihrer Goldbasis, dem molekularen Abstandshalter, der Graphenschicht und dem Eisenkatalysator, begann den Prozess der Sauerstoffreduktion bei einer viel höheren Spannung als eine Kontrollelektrode, bei der der Eisenkatalysator direkt auf das Gold platziert worden war. Diese Verschiebung bedeutete, dass das neue System weniger Energie benötigte, um die Reaktion zu starten. Darüber hinaus erzeugte die neue Elektrode einen viel stärkeren elektrischen Strom, was darauf hindeutete, dass sie Sauerstoff wesentlich effizienter in Wasser umwandelte. Die Daten deuteten darauf hin, dass die Reaktion über einen Vier-Elektronen-Pfad verläuft, was der effizienteste Weg ist, um Sauerstoff in Wasser umzuwandeln und die Entstehung schädlicher Nebenprodukte zu vermeiden. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser geschichtete Ansatz die grundlegende Art und Weise, wie die Reaktion funktioniert, nicht verändert, aber den Prozess viel schneller und einfacher ablaufen lässt. Durch die Nutzung des Graphens, um die elektrische Verbindung wiederherzustellen und ein stabiles Zuhause für den Katalysator zu bieten, hat der Forscher eine effektivere Plattform für die zukünftige Brennstoffzellentechnologie geschaffen.