p (Phys.org) —As células a combustível requerem um catalisador para a reação de redução do oxigênio. Um tipo de catalisador são as nanofolhas de óxido de grafeno dopadas com nitrogênio. Nanofolhas de óxido de grafeno são facilmente funcionalizadas com outros átomos, como o boro, azoto, ou enxofre, bem como metais como o ferro, níquel, e cobalto, tornando-os um material versátil para aplicações práticas. p O processo de fazer nanofolhas de óxido de grafeno é feito em um meio aquoso e resulta em moléculas de água residindo entre as folhas de grafeno. Vários pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos, a Universidade do Novo México, Laboratório Nacional de Oak Ridge, e a Rutgers University caracterizaram os efeitos da remoção dessas moléculas de água intercaladas. Eles descobriram que as moléculas de água não afetam apenas a estrutura física das nanofolhas e a concentração de heteroátomos que são adicionados a ela, mas a remoção das moléculas de água altera a atividade catalítica das nanofolhas. O trabalho deles aparece em Avanços da Ciência .

p O grafite é oxidado para formar folhas de óxido de grafeno. Essas folhas normalmente têm moléculas de água intercaladas entre as folhas. Para fazer o catalisador, essas folhas são reduzidas e dopadas com um heteroátomo para formar folhas de grafeno dopadas. Poucos estudos foram realizados para entender os efeitos que as moléculas de água intercaladas têm nas nanofolhas de óxido de grafeno.

p Usando secagem a vácuo e lavagem com solvente com solventes que satisfaçam certos parâmetros de solubilidade de Hansen, Martinez, et al. foram capazes de secar folhas de óxido de grafeno e remover as moléculas de água intercaladas entre as folhas. Os estudos de XRD verificam que a distância entre as folhas diminuiu significativamente após a secagem a vácuo e ainda mais após a secagem com solvente. A distância entre as folhas mudou de 10,8Å para 8,6Å após a secagem a vácuo e então para 7,5Å após a secagem com solvente com etanol ou éter dietílico. Além disso, Os dados de XRD também mostraram evidências de ordem de longo alcance.

p Os dados XPS e IR também verificaram que as folhas não tinham água intercalada. Estudos de dinâmica molecular confirmaram que os solventes alteram substancialmente a estrutura das folhas de óxido de grafeno intercaladas com água. Notavelmente, as folhas tratadas com éter demonstraram um tipo de "enrugamento" que pode ser em parte o motivo pelo qual as folhas tratadas com éter exibiram a melhor atividade catalítica para a reação de redução de oxigênio.

p A dopagem com nitrogênio foi realizada usando um método conhecido. Martinez, et al. tratou as folhas de óxido de grafeno enxaguadas com solvente e secas a vácuo com amônia em alta temperatura. Eles notaram que as folhas tratadas com etanol e éter tinham grandes orifícios nas folhas, o que é útil para a catálise porque expõe locais ativos entre camadas.

p Martinez, et al. em seguida, testou seu novo catalisador de óxido de grafeno reduzido dopado com nitrogênio (NrGO) com um eletrodo de disco de anel giratório em meio ácido. Eles procuraram os três principais recursos para um bom catalisador:baixo excesso de potencial, alto potencial de meia onda, e seletividade para a redução de quatro elétrons do oxigênio em água. O superpotencial é o potencial adicional além do potencial teórico para uma reação de redução de oxigênio (E ^o =1,23 V vs. RHE). O oxigênio pode sofrer uma reação de redução de quatro elétrons para produzir água ou uma reação de redução de dois elétrons para formar o peróxido de hidrogênio. Quanto mais seletivo for o catalisador para a reação de quatro elétrons, o melhor.

p Eles descobriram que o NrGO que foi tratado com éter dietílico mostrou o melhor sobrepotencial, potencial de meia onda, e os valores de seletividade em comparação com a secagem a vácuo, tratado com etanol, e folhas de óxido de grafeno não tratadas. Martinez, et al. relataram que esta é a maior reatividade de redução de oxigênio até o momento para catalisadores NrGO em meio ácido.

p Esta pesquisa fornece informações valiosas sobre como a água intercalada afeta a atividade catalítica das nanofolhas de óxido de grafeno. De acordo com o Dr. Gautam Gupta, investigador principal neste estudo, este estudo é importante para células a combustível de membrana de troca de prótons porque elas requerem condições ácidas. Quando questionado sobre as implicações de sua pesquisa, Dr. Gupta disse, "Este é o primeiro relatório que enfatiza o papel chave da água na catálise e a pesquisa tem implicações significativas no projeto de materiais 2D, como dichalcogenetos de metais de transição para aplicações de energia." p © 2016 Phys.org