Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.

Nel mondo dell'energia, la ricerca di un modo per trasformare l'ossigeno dall'aria in elettricità è una sfida centrale. Questo processo, noto come reazione di riduzione dell'ossigeno, è il cuore delle celle a combustibile, dispositivi che potrebbero alimentare tutto, dalle auto alle case, senza inquinamento. Tuttavia, rendere questa reazione efficiente richiede solitamente metalli costosi come il platino. Gli scienziati cercano da tempo materiali più economici e abbondanti che possano svolgere lo stesso compito. Un candidato promettente è il grafene, un foglio di carbonio così sottile da essere spesso un solo atomo. Sebbene il grafene conduca l'elettricità magnificamente, è difficile farlo aderire a una superficie in modo utile e spesso ha bisogno di aiuto per diventare un catalizzatore. Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono rivolti ai monostrati auto-assemblati, ovvero singoli strati di molecole che si allineano automaticamente su una superficie come piastrelle sul pavimento. Combinando queste piastrelle molecolari con il grafene, gli scienziati sperano di creare una piattaforma stabile e conduttiva che possa ospitare altre molecole per accelerare la reazione.

Un ricercatore in Cile ha recentemente costruito un tale sistema, creando un nuovo tipo di elettrodo che stratifica questi materiali con precisione. Ha iniziato con una superficie d'oro liscia e l'ha rivestita con uno strato singolo di 4-MBT, una molecola che funge da spaziatore molecolare. Sopra questo strato, ha posizionato fogli di ossido di grafene chimicamente ridotto, una forma di grafene che è stata trattata per rimuovere l'ossigeno e ripristinare la sua capacità di condurre elettricità. Il grafene non si è attaccato direttamente all'oro; si è invece adagiato sulle estremità idrofobiche, ovvero repellenti all'acqua, dello strato di spaziatore molecolare. Ciò ha creato una struttura simile a un sandwich in cui l'oro era separato dal grafene da un sottile film organico. Il ricercatore ha poi aggiunto la ftalocianina di ferro, una molecola contenente ferro nota per aiutare la decomposizione dell'ossigeno, sopra i fogli di grafene. Ha scoperto che questa specifica disposizione permetteva alle molecole di ferro di appoggiarsi saldamente sul grafene, creando una superficie che era molto più efficace nel ridurre l'ossigeno rispetto ai tentativi precedenti.

Per capire quanto bene funzionasse questa nuova struttura, il ricercatore ha eseguito una serie di test. Per prima cosa, ha controllato la facilità con cui l'elettricità poteva muoversi attraverso gli strati. Quando ha posizionato il grafene sopra lo spaziatore molecolare, la resistenza elettrica è diminuita significativamente rispetto allo spaziatore da solo. Ciò ha dimostrato che i fogli di grafene stavano collegando con successo il vuoto, permettendo agli elettroni di fluire liberamente tra la base d'oro e il mondo esterno. Utilizzando un microscopio specializzato che misura la corrente elettrica su scala nanometrica, ha visto che il grafene formava isole distinte e altamente conduttive sulla superficie. Queste isole non erano perfettamente piatte; il microscopio ha rivelato che i fogli di grafene erano piegati e impilati in alcuni punti, creando un paesaggio ruvido e strutturato. Questa tessitura è importante perché i bordi e le pieghe del grafene sono spesso i luoghi dove avvengono le reazioni chimiche più attive.

Il ricercatore ha poi esaminato la struttura del grafene stesso utilizzando tecniche basate sulla luce. L'analisi ha mostrato che il materiale era pieno di minuscoli difetti e irregolarità nel suo reticolo di carbonio. Piuttosto che essere un difetto, queste imperfezioni sono in realtà benefiche per questa applicazione, poiché forniscono più punti per l'avvenire di reazioni chimiche. Quando ha aggiunto le molecole contenenti ferro a questa superficie di grafene, i test hanno confermato che le molecole si erano attaccate saldamente. Gli atomi di ferro sono stati trovati nello stato chimico corretto per agire come catalizzatore, e gli atomi di azoto all'interno delle molecole erano posizionati correttamente per interagire con il grafene.

Infine, il ricercatore ha testato la capacità del sistema di ridurre l'ossigeno in una soluzione acquosa di base. I risultati sono stati sorprendenti. Il nuovo elettrodo, con la sua base d'oro, lo spaziatore molecolare, lo strato di grafene e il catalizzatore di ferro, ha iniziato il processo di riduzione dell'ossigeno a un voltaggio molto più alto rispetto a un elettrodo di controllo che aveva il catalizzatore di ferro posto direttamente sull'oro. Questo spostamento significava che il nuovo sistema richiedeva meno energia per avviare la reazione. Inoltre, il nuovo elettrodo produceva una corrente elettrica molto più forte, indicando che stava convertendo l'ossigeno in acqua in modo molto più efficiente. I dati suggerivano che la reazione procedeva attraverso un percorso a quattro elettroni, che è il modo più efficiente per trasformare l'ossigeno in acqua, evitando la produzione di sottoprodotti nocivi. Lo studio conclude che questo approccio stratificato non cambia il modo fondamentale in cui funziona la reazione, ma rende il processo molto più veloce e facile. Usando il grafene per ripristinare la connessione elettrica e fornire una casa stabile per il catalizzatore, il ricercatore ha creato una piattaforma più efficace per la futura tecnologia delle celle a combustibile.