Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis haben in den letzten Jahrzehnten als wirtschaftliche Alternative zu Edelmetallkatalysatoren für erneuerbare Energiesysteme große Aufmerksamkeit erregt.
Eine aktuelle Studie, die mit UNIST verbunden ist, hat das theoretische Prinzip enthüllt, dass kohlenstoffbasierte Katalysatoren elektrochemische Reaktionen fördern. Der Schlüssel dazu ist, dass das Vorhandensein von Kohlenstoffdefekten – zusammen mit der strukturellen Flexibilität und chemischen Reaktionen – kombiniert wird, um die Verbesserung der katalytischen Aktivität auch ohne die Notwendigkeit von Edelmetallkatalysatoren wie Platin (Pt) zu ermöglichen.
Die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) ist eine wichtige elektrochemische Reaktion und findet breite Anwendung in Anwendungen für erneuerbare Energien, wie Wasserstoffbrennstoffzellen, Wasserspaltung und Metall-Luft-Batterien (MABs). Gegenwärtig werden kommerzielle Katalysatoren auf Pt-Basis (PBCs) aufgrund ihrer überlegenen katalytischen Aktivität in großem Umfang für diesen Zweck verwendet. Der hohe Preis, die leichte CO-Vergiftung und die geringe Haltbarkeit von Pt behindern jedoch die großtechnische Anwendung von PBCs, so das Forschungsteam.
Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis werden aktiv als führende alternative Materialien untersucht, und die Effizienz und Zusammensetzung von Katalysatoren werden ständig verbessert. Die Ursache dafür, dass kohlenstoffbasierte Katalysatoren elektrochemische Reaktionen fördern, ist jedoch nicht klar, was die Entwicklung von kohlenstoffbasierten Katalysatoren verlangsamt.
In dieser Studie demonstrierte das Forschungsteam, wie zwei Arten von Defekten – Kohlenstoffleerstellen und Pyridin-N-Dotierstoffe in metallfreien Kohlenstoffmaterialien – die O2-Adsorption verbessern, ein kritischer Reaktionsschritt für die Aktivierung der ORR.
„Unsere Berechnungen und Strukturanalysen haben gezeigt, dass Defekte es den benachbarten Rand-Kohlenstoffstellen ermöglichen, O2 zu adsorbieren, indem sie die strukturelle Flexibilität erhöhen und somit die Energiebarriere für den sp2/sp3-Übergang des Kohlenstoffatoms senken“, bemerkte das Forschungsteam. „Daher ist die nichtlokale strukturelle Umgebung bei der chemischen Reaktion ebenso entscheidend wie die direkte Wechselwirkung zwischen Adsorptionsort und Adsorbat.“
Ihre Ergebnisse zeigen ferner, dass Pyridin-N Vorteile gegenüber Kohlenstoff-Leerstellen in Bezug auf die strukturelle Stabilität hat. „Unsere Studie basiert auf zahlreichen theoretischen und experimentellen Untersuchungen von Kohlenstoffmaterialien und stimmt mit katalytischen experimentellen Ergebnissen überein“, fügte das Forschungsteam hinzu. „Darüber hinaus können unsere Ergebnisse auf allgemeine chemische Reaktionen in defekten Kohlenstoffmaterialien ausgedehnt werden und werden die Forschung auf dem Gebiet des Defekt-Engineering vorantreiben.“
Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht ACS-Nano.
Mehr Informationen:
Keunsu Choi et al, Theoretische Untersuchung des Sauerstoffreduktionsreaktionsmechanismus in metallfreien Kohlenstoffmaterialien: Defekte, strukturelle Flexibilität und chemische Reaktion, ACS-Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c05607