Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.

In de wereld van energie is de zoektocht naar het omzetten van zuurstof uit de lucht in elektriciteit een centrale uitdaging. Dit proces, bekend als de zuurstofreductiereactie, vormt het hart van brandstofcellen, apparaten die alles van auto's tot huizen zonder vervuiling zouden kunnen voeden. Het efficiënt laten plaatsvinden van deze reactie vereist echter meestal dure metalen zoals platina. Wetenschappers zoeken al lang naar goedkopere, overvloediger materialen die hetzelfde werk kunnen doen. Een veelbelovende kandidaat is grafeen, een laag koolstof die zo dun is dat deze slechts één atoom dik is. Hoewel grafeen uitstekend elektriciteit geleidt, is het moeilijk op een nuttige manier aan een oppervlak te laten hechten, en heeft het vaak hulp nodig om een katalysator te worden. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers zich gericht op zelfgeassembleerde monolagen, wat enkelvoudige lagen moleculen zijn die zich automatisch op een oppervlak rangschikken als tegels op een vloer. Door deze moleculaire tegels met grafeen te combineren, hopen wetenschappers een stabiel, geleidend platform te creëren dat andere moleculen kan huisvesten om de reactie te versnellen.

Een onderzoeker in Chili heeft onlangs een dergelijk systeem gebouwd, waarbij een nieuw type elektrode is gecreëerd door deze materialen met precisie te stapelen. Ze begonnen met een glad gouden oppervlak en bedekten dit met een enkele laag 4-MBT, een molecuul dat fungeert als een moleculaire afstandhouder. Bovenop deze laag plaatsten ze vellen chemisch gereduceerd grafeenoxide, een vorm van grafeen die is behandeld om zuurstof te verwijderen en het vermogen om elektriciteit te geleiden te herstellen. Het grafeen hechtte niet direct aan het goud; in plaats daarvan nestelde het zich op de hydrofobe, of waterafstotende, uiteinden van de moleculaire afstandhouderslaag. Dit creëerde een zandwichachtige structuur waarbij het goud door een dun organisch film werd gescheiden van het grafeen. De onderzoeker voegde vervolgens ijzerftalocyanine, een molecuul dat ijzer bevat en bekend staat om het helpen afbreken van zuurstof, toe aan de grafeenvellen. Ze ontdekten dat deze specifieke arrangement ervoor zorgde dat de ijzermoleculen stevig op het grafeen rustten, wat resulteerde in een oppervlak dat veel beter in staat was tot zuurstofreductie dan eerdere pogingen.

Om te begrijken hoe goed deze nieuwe structuur functioneerde, voerde de onderzoeker een reeks tests uit. Eerst controleerden ze hoe gemakkelijk elektriciteit door de lagen kon bewegen. Wanneer ze het grafeen op de moleculaire afstandhouder plaatsten, daalde de elektrische weerstand aanzienlijk vergeleken met de afstandhouder alleen. Dit bewees dat de grafeenvellen de kloof succesvol overbrugden, waardoor elektronen vrij tussen de gouden basis en de buitenwereld konden stromen. Met behulp van een gespecialiseerde microscoop die elektrische stroom op nanoschaal meet, zagen ze dat het grafeen duidelijke, zeer geleidende eilanden over het oppervlak vormde. Deze eilanden waren niet perfect vlak; de microscoop onthulde dat de grafeenvellen op sommige plaatsen gevouwen en gestapeld waren, wat een ruig, getextureerd landschap creëerde. Deze textuur is belangrijk omdat de randen en vouwen van grafeen vaak de plekken zijn waar de meest actieve chemische reacties plaatsvinden.

De onderzoeker bestudeerde vervolgens de structuur van het grafeen zelf met behulp van lichttechnieken. De analyse toonde aan dat het materiaal vol zat met minuscule defecten en onregelmatigheden in het koolstofrooster. In plaats van een gebrek zijn deze imperfecties eigenlijk gunstig voor deze toepassing, omdat ze meer plaatsen bieden waar chemische reacties kunnen plaatsvinden. Toen ze de ijzerhoudende moleculen aan dit grafeenoppervlak toevoegden, bevestigden de tests dat de moleculen er stevig aan vastzaten. De ijzeratomen bevonden zich in de juiste chemische toestand om als katalysator te fungagen, en de stikstofatomen binnen de moleculen waren correct gepositioneerd om met het grafeen te interageren.

Ten slotte testte de onderzoeker het vermogen van het systeem om zuurstof te reduceren in een basis wateroplossing. De resultaten waren opmerkelijk. De nieuwe elektrode, met zijn gouden basis, moleculaire afstandhouder, grafeenlaag en ijzerkatalysator, begon het zuurstofreductieproces bij een veel hogere spanning dan een controle-elektrode waarbij de ijzerkatalysator direct op het goud was geplaatst. Deze verschuiving betekende dat het nieuwe systeem minder energie nodig had om de reactie te starten. Bovendien produceerde de nieuwe elektrode een veel sterkere elektrische stroom, wat erop wijst dat het zuurstof veel efficiënter omzet in water. De gegevens suggereerden dat de reactie verliep via een vier-elektronenpad, wat de meest efficiënte manier is om zuurstof in water om te zetten, waarbij de productie van schadelijke bijproducten wordt vermeden. De studie concludeert dat deze gelaagde aanpak de fundamentele manier waarop de reactie werkt niet verandert, maar het proces veel sneller en gemakkelijker maakt. Door het grafeen te gebruiken om de elektrische verbinding te herstellen en een stabiele thuisbasis voor de katalysator te bieden, heeft de onderzoeker een effectiever platform gecreëerd voor toekomstige brandstofceltechnologie.