Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.

エネルギーの世界において、空気中の酸素を電気へと変換する探求は、中心的な課題です。このプロセスは酸素還元反応として知られ、自動車から家庭に至るまで、あらゆるものに汚染なしで電力を供給できるデバイスである燃料セルの核心をなしています。しかし、この反応を効率的に発生させるには、通常、白金のような高価な金属を必要とします。科学者たちは、同じ役割を果たせる、より安価で豊富な材料を長年探し求めてきました。有望な候補の一つは、炭素のシートであり、厚さが原子1個分しかないほど薄いグラフェンです。グラフェンは電気を美しく伝導しますが、有用な方法で表面に付着させることが難しく、触媒として機能させるためには助けが必要となることがよくあります。これを解決するために、研究者たちは自己組織化単分子膜、すなわち、床のタイルのように表面に自動的に整列する分子の単層へと目を向けました。これらの分子タイルとグラフェンを組み合わせることで、科学者たちは、反応を加速させる他の分子を収容できる、安定した導電性のプラットフォームを作り出すことを目指しています。

チリのある研究者が最近、このようなシステムを構築し、これらの材料を精密に層状に重ねた新しいタイプの電極を作り出しました。彼らは滑らかな金の表面から始め、分子スペーサーとして機能する分子である4-MBTの単層でコーティングしました。その層の上に、酸素を取り除き電気伝導性を回復させる処理を施したグラフェンの一種である、化学的還元酸化グラフェンを配置しました。グラフェンは金に直接付着したのではなく、代わりに、この分子スペーサー層の疎水性（水を弾く性質）の端の上に落ち着きました。これにより、金が有機薄膜によってグラフェンから隔てられた、サンドイッチのような構造が作成されました。研究者は次に、酸素を分解するのを助けることが知られている鉄を含む分子であるフタロシアニンを、グラフェンシートの上に添加しました。彼らは、この特定の配置によって、鉄分子がグラフェン上にしっかりと座り、以前の試みよりも酸素還元に優れた表面を作り出すことがわかりました。

この新しい構造がどの程度うまく機能するかを理解するために、研究者は一連のテストを行いました。まず、層を通じてどれほど容易に電気が移動するかを確認しました。分子スペーサーの上にグラフェンを配置すると、スペーサー単独の場合と比較して電気抵抗が大幅に低下しました。これは、グラフェンシートが隙間を橋渡しすることに成功し、電子が金の基底部と外部の世界の間を自由に流れることを証明しています。ナノスケールで電流を測定する特殊な顕微鏡を使用すると、グラフェンが表面全体に明確で非常に導電性の高い「島」を形成しているのが見えました。これらの島は完全に平坦ではなく、顕微鏡によって、グラフェンシートが所々で折りたたまれ、積み重なっていることが明らかになりました。この質感は重要です。なぜなら、グラフェンの端や折り目は、最も活発な化学反応が起こる場所であることが多いからです。

次に、研究者は光を用いた技術を使用して、グラフェン自体の構造を調べました。分析の結果、その材料は炭素格子の中に微小な欠陥や不規則性を多く含んでいることが示されました。これらは欠点ではなく、むしろこの用途においては有益であり、化学反応が起こるためのより多くの場所を提供してくれるのです。このグラフェン表面に鉄含有分子を添加したところ、テストによって、分子が自身をしっかりと取り付けたことが確認されました。鉄原子は触媒として機能するための正しい化学状態にあり、分子内の窒素原子はグラフェンと相互作用するように適切に配置されていました。

最後に、研究者は基本的な水溶液中で酸素を還元するシステムの能力をテストしました。結果は驚くべきものでした。金の基底、分子スペーサー、グラフェン層、そして鉄触媒を備えたこの新しい電極は、鉄触媒を金の上に直接配置した対照電極よりも、はるかに高い電圧で酸素還元を開始しました。この変化は、新しいシステムが反応を開始するためにより少ないエネルギーを必要とすることを意味していました。さらに、新しい電極ははるかに強い電流を生成しており、これは酸素を水へと変換する効率が非常に高いことを示しています。データは、反応が「4電子経路」を通じて進行していることを示唆しており、これは有害な副産物の生成を避けつつ、酸素を水に変える最も効率的な方法です。研究は、この層状のアプローチは反応の根本的な仕組みを変えるものではないが、プロセスをはるかに速く、容易にさせるものであると結論付けています。グラフェンを用いて電気的接続を回復させ、触媒のための安定した住処を提供することで、研究者は将来の燃料電池技術のための、より効果的なプラットフォームを作り出したのです。