Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.

에너지의 세계에서, 공기 중의 산소를 전기로 바꾸려는 탐구는 핵심적인 과제입니다. 산소 환원 반응이라고 알려진 이 과정은 자동차에서 가정에 이르기까지 모든 것에 오염 없이 전력을 공급할 수 있는 장치인 연료 전지의 핵심입니다. 그러나 이 반응을 효율적으로 일으키려면 대개 백금과 같은 비싼 금속이 필요합니다. 과학자들은 오랫동안 이와 동일한 역할을 수행할 수 있는 더 저렴하고 풍부한 재료를 찾아왔습니다. 유망한 후보 중 하나는 탄소 시트가 단 한 층의 원자 두께로 매우 얇은 그래핀입니다. 그래핀은 전기를 아름답게 전도하지만, 유용한 방식으로 표면에 달라붙기가 어렵고, 촉매로서 기능하기 위해서는 종종 도움이 필요합니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 바닥의 타일처럼 표면에 자동으로 정렬되는 분자 단일층인 자기 조립 단분자층으로 눈을 돌렸습니다. 이 분자 타일들을 그래핀과 결합함으로써, 과학자들은 반응을 가속화할 다른 분자들을 수용할 수 있는 안정적이고 전도성 있는 플랫폼을 만들기를 희망하고 있습니다.

칠레의 한 연구자가 최근 이러한 시스템을 구축하여, 이러한 재료들을 정밀하게 층을 쌓아 새로운 유형의 전극을 만들어냈습니다. 그들은 매끄러운 금 표면에서 시작하여, 분자 간격 유지 역할을 하는 분자인 4-MBT의 단일 층을 입혔습니다. 그 층 위에, 산소를 제거하고 전기 전도성을 회복하도록 처리된 형태의 그래핀인 환원된 산화 그래핀 시트를 배치했습니다. 그래핀은 금에 직접 붙지 않았습니다. 대신, 분자 간격 유지 층의 소수성, 즉 물을 밀어내는 끝부분 위에 안착했습니다. 이는 금이 그래핀에 의해 얇은 유기 박막으로 분리된 샌드위치 같은 구조를 만들었습니다. 연구자는 산소를 분해하는 데 효과적인 것으로 알려진 철을 포함한 분자인 프탈로시아닌을 그래핀 시트 위에 추가했습니다. 그들은 이 특정한 배치를 통해 철 분자들이 그래핀 위에 안정적으로 자리 잡게 되어, 이전의 시도들보다 훨씬 더 우수한 산소 환원 표면을 만들 수 있다는 것을 발견했습니다.

이 새로운 구조가 얼마나 잘 작동하는지 이해하기 위해, 연구자는 일련의 테스트를 수행했습니다. 먼저, 층 사이로 전기가 얼마나 쉽게 이동할 수 있는지 확인했습니다. 분자 간격 유지 층 위에 그래핀을 배치했을 때, 간격 유지 층만 있을 때와 비교하여 전기 저항이 크게 감소했습니다. 이는 그래핀 시트가 간격을 성공적으로 메워, 금 기반과 외부 세계 사이에 전자가 자유롭게 흐를 수 있도록 했음을 증명했습니다. 나노 스케일에서 전류를 측정하는 특수 현미경을 사용하여, 그들은 그래핀이 표면 전체에 걸쳐 뚜렷하고 전도성이 높은 섬들을 형성했음을 확인했습니다. 이 섬들은 완벽하게 평평하지 않았습니다. 현미경은 그래핀 시트가 곳곳에서 접히고 쌓여 있어 거칠고 질감이 있는 지형을 만들었음을 보여주었습니다. 이 질감은 중요한데, 그래 된 그래핀의 가장자리와 접힌 부분이 종종 가장 활발한 화학 반응이 일어나는 곳이기 때문입니다.

연구자는 또한 빛을 이용한 기술을 사용하여 그래핀 자체의 구조를 살펴보았습니다. 분석 결과, 이 물질은 탄소 격자 내에 미세한 결함과 불규칙함이 가득하다는 것이 나타났습니다. 이러한 결함은 결함이라기보다 오히려 이 응용 분야에서는 유익한데, 화학 반응이 일어날 수 있는 더 많은 지점을 제공하기 때문입니다. 철을 함유한 분자들을 이 그래핀 표면에 추가했을 때, 테스트를 통해 이 분자들이 그래핀 표면에 안정적으로 부착되었음이 확인되었습니다. 철 원자는 촉매 역할을 할 수 있는 올바른 화학적 상태에 있었으며, 분자 내의 질소 원자들은 그래핀과 상호작용할 수 있도록 적절하게 배치되어 있었습니다.

마지막으로, 연구자는 기본적인 수용액에서 산소를 환원시키는 이 시스템의 능력을 테스트했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 금 기반, 분자 간격 유지 층, 그래핀 층, 그리고 철 촉매를 갖춘 이 새로운 전극은 철 촉매를 금 위에 직접 배치한 대조군 전극보다 훨씬 높은 전압에서 산소 환원 과정을 시작했습니다. 이 변화는 새로운 시스템이 반응을 시작하는 데 더 적은 에너지를 필요로 한다는 것을 의미했습니다. 더욱이, 새로운 전극은 훨씬 더 강한 전류를 생성했는데, 이는 산소를 물로 훨씬 더 효율적으로 변환하고 있음을 나타냅니다. 데이터에 따르면 반응은 4전자 경로를 통해 진행되었으며, 이는 해로운 부산물을 만들지 않고 산소를 물로 바꾸는 가장 효율적인 방법입니다. 연구는 이 층 구조 방식이 반응의 근본적인 방식을 바꾸지는 않지만, 그 과정을 훨씬 더 빠르고 쉽게 만든다는 결론을 내립니다. 그래핀을 사용하여 전기적 연결을 복구하고 촉매를 위한 안정적인 집을 제공함으로써, 연구자는 미래의 연료 전지 기술을 위한 더 효과적인 플랫폼을 만들어냈습니다.