Elektrokatalysatoren auf Kohlenstoffbasis gelten als vielversprechende Alternativen zu den hochmodernen Edelmetallkatalysatoren. Eine Dotierung mit Heteroatomen kann effektiv hochaktive katalytische Zentren erzeugen, führt aber unglücklicherweise zu einer geringeren elektronischen Leitfähigkeit und behindert somit den Elektrokatalyseprozess.
Um dieses Problem anzugehen, entwickelte ein Team der South China University of Technology einen Janus-Kohlenstoff-Elektrokatalysator mit unterschiedlichen Heteroatom-Dotierungsniveaus zwischen den beiden Seiten, der den Konflikt zwischen intrinsischer Aktivität und elektronischer Leitfähigkeit lösen könnte, um die Leistung bei den elektrokatalytischen Hydrazin-Oxidationsreaktionen zu steigern.
Die Elektrokatalyse ermöglicht die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie. Der reibungslose Ablauf elektrokatalytischer Reaktionen beruht auf dem Design von Elektrokatalysatoren mit hochaktiven Zentren und effizienter Elektronenleitung. Kohlenstoffmaterialien stellen eine wichtige Klasse von Elektrokatalysatoren dar. Das Haupthindernis für die Leistungsverbesserung von Kohlenstoffmaterialien ist der Kompromiss zwischen intrinsischer Aktivität und elektronischer Leitfähigkeit.
Nun hat sich ein Team unter der Leitung von Prof. Yingwei Li von der South China University of Technology diesem Problem angenommen und einen kohlenstoffbasierten Katalysator mit Janus-Struktur entwickelt. Der Janus-Kohlenstoff-Elektrokatalysator besteht aus einem leitfähigen, mit Stickstoff dotierten Kohlenstoffblock (NC) und katalytisch aktiven, mit Bor und Stickstoff kodotierten Kohlenstoff-Nanoblättern (BNC).
„Das Design von Janus-Kohlenstoff-Nanomaterialien ist keine leichte Aufgabe. Kohlenstoffmaterialien werden normalerweise durch Karbonisierung von kohlenstoffhaltigen Vorläufern hergestellt. Herkömmlichen Vorläufern fehlt jedoch die Designfähigkeit, um Kohlenstoffmaterialien mit abstimmbaren Strukturen und Zusammensetzungen zu synthetisieren. Unsere Gruppe hat sich damit beschäftigt die Entwicklung effizienter Katalysatoren auf der Basis metallorganischer Gerüste (MOFs), einer Materialklasse mit hoher Designfähigkeit, einstellbaren Zusammensetzungen und geordneten atomaren Verteilungen.Die interessanten Eigenschaften von MOFs motivierten uns, ein Janus-MOF als Vorstufe für Janus-Kohlenstoff-Nanomaterialien zu entwickeln “, erklärte Yingwei Li.
Die Forscher entwickelten eine Strategie zum „molekularen Abschneiden und Wiedervernähen“ für die Konstruktion des Janus-MOF. ZIF-8-Kristalle wurden in einer Methanollösung von Borsäure erhitzt. ZIF-8 wurde langsam mit Borsäure geätzt, um Metallionen und Liganden freizusetzen, gefolgt von Keimbildung und Wachstum von B-MOF auf geätztem ZIF-8. ZIF-8/B-MOF wurde dann als Vorläufer für die Synthese von Janus NC/BNC verwendet.
Die NC-Seite zeigte gegenüber der BNC-Seite eine geringere Dotierung und damit eine höhere elektronische Leitfähigkeit. Die BNC-Seite besaß jedoch katalytisch aktive BO3-Stellen mit höherer intrinsischer Aktivität. Die Integration von NC mit BNC könnte nicht nur eine hohe elektronische Leitfähigkeit des Hybrids sicherstellen, sondern auch eine weitere Ladungsdelokalisierung der aktiven Zentren auf der BNC-Seite mit erhöhter katalytischer Aktivität induzieren.
In der elektrokatalytischen Hydrazinoxidationsreaktion zeigte NC/BNC eine deutlich verbesserte Aktivität als die einzelnen Gegenstücke und einfache physikalische Mischungen.
Angesichts der großen Familie von MOFs glaubt das Team, dass die vorgeschlagene MOF-basierte Strategie auf die Synthese verschiedener Janus-Kohlenstoffmaterialien mit abstimmbaren Zusammensetzungen und Strukturen ausgedehnt werden kann. Dies wird hoffentlich die Toolbox der maßgeschneiderten Chemie und Nanotechnologie für potenzielle Anwendungen in Grenzflächenstabilisatoren, Wirkstofftransport und Phasentransferkatalyse bereichern.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht National Science Review.
Mehr Informationen:
Jieting Ding et al, Ein Janus-Heteroatom-dotierter Kohlenstoffelektrokatalysator für die Hydrazinoxidation, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac231