研究人员测试碘掺杂的氧化石墨烯作为电催化剂

在《Materials》杂志上撰文时，罗马尼亚国家低温和同位素技术研究所的一组科学家研究了使用掺碘氧化石墨烯作为电催化剂。

Study: Iodine-Doped Graphene Oxide: Fast Single-Stage Synthesis and Application as Electrocatalyst. Image Credit: Dhujmontra/Shutterstock.com

燃料电池技术

燃料电池是一种关键的可持续储能解决方案，有助于推动当前的绿色技术发展。这些高效设备通过电化学还原氢以产生电能，并且已被探索用于固定和便携式/可穿戴技术。

燃料电池是一种迅速兴起的技术，已被广泛提出用于多个行业的应用。近年来已经开发了几种燃料电池技术，质子交换膜燃料电池作为清洁和可持续的能源解决方案显示出特别的前景。这些燃料电池变体非常高效，几乎不产生污染。

低温质子交换膜燃料电池在过去几年中已经出现，用于固定应用和轻型车辆。然而，在燃料电池技术中使用铂作为电极的首选催化剂，由于其极其高昂的成本，阻碍了其全面商业化。

最大限度地降低成本是确保燃料电池技术成为当前气候危机的广泛解决方案的关键。为了克服这些技术的成本限制，研究重点是开发替代的无铂电极材料。

SEM microstructure and energy dispersive X-ray spectroscopy spectrum of prepared I-doped graphene oxide. Image Credit: Marinoiu, A et al., Materials

利用石墨烯材料

石墨烯是一种纳米结构的碳基材料，近年来已成为燃料电池电极铂的可行低成本替代品。这种创新的纳米材料具有卓越的物理，化学和电化学特性，使其成为电解槽和太阳能电池等应用的理想材料。

石墨烯由单原子厚的碳片组成，具有六角形晶格结构。石墨烯的氧化形式被称为氧化石墨烯，这种材料已被确定为合适的石墨烯生产路线。

氧化石墨烯表现出有利的特性，例如由于存在丰富的官能团而具有强烈的亲水行为。此外，由于其亲水性和强静电荷，它显示出良好的分散能力。还原氧化石墨烯可以通过多种途径生产，包括通过光热，热和化学手段。

具有卤素掺杂功能化的石墨烯材料

功能化石墨烯涉及使用杂原子（如卤素）改变其碳结构。这产生了具有增强催化活性的有机还原反应催化剂，可用于燃料电池。此外，功能化可以在石墨烯结构中产生缺陷，从而改善反应的电化学性能以及燃料电池在碱性和酸性环境中的热稳定性和机械稳定性。

在石墨烯电极功能化考虑的不同卤素中，碘可以显著增强燃料电池中有机还原反应的电催化活性。碘形成稳定的双原子分子，它们共享一个电子对，并在高温下可逆地解离。事实上，碘化阴离子是稳定卤素中最强的还原剂。

然而，从合成的角度来看，用碘原子掺杂石墨烯基材料是一项极具挑战性的工作。近年来已经开发了几种技术，但由于难以扩展的多步骤过程而受到阻碍。在为克服与碘兴奋剂相关的挑战而提出的解决方案中，微波辅助技术近年来已成为可行的方法。

Overlaid ATR−FTIR rGO and I/rGO spectra with the fingerprint zone in the inset. Image Credit: Marinoiu, A et al., Materials

研究

据笔者所知，他们的论文代表了将微波过程应用于碘掺杂和还原氧化石墨烯以产生功能化燃料电池有机还原反应电催化剂的首次研究。为此，微波辅助工艺的一个主要优点是降低了能源、时间和成本需求。

本文开发的工艺在大气压条件下利用了更快、更简单、更经济、更高效的方案。在温和的条件下，研究中强调的微波辅助过程从氧化石墨烯合成帆布状碘/还原氧化石墨烯结构。因此，已经开发出一种低成本，高效的铂基催化剂替代品。

研究结果

在研究中获得了碘掺杂石墨烯，具有特定的结构和形态特性。微波辅助掺杂和功能化过程只需一步即可实现，降低了制备方法的复杂性，使其与传统合成方法相比具有明显的优势。优化了温度、压力、功率、反应时间和掺杂浓度。

Fitted K–L plots for I/rGO determined from linear sweep voltammograms. Image Credit: Marinoiu, A et al., Materials

采用旋转盘电极极化和循环伏安技术证实了所生产电催化材料的有机还原反应电化学活性.碘掺杂，由负载转移复合物形成促进，似乎控制着所制备材料的有机还原反应活性的增强。这些配合物提高了石墨烯的功能化能力。

本文提出的微波辅助碘掺杂电催化材料具有15分钟的极短反应时间和温和的加工条件，为低成本、高效率的燃料电池电极提供了一条具有增强有机还原反应活性的途径。绿色合成方法将提高燃料电池电极制造的成本效益和环境友好性，从而改善燃料电池本身。

延伸阅读

Marinoiu, A et al. (2022) Iodine-Doped Graphene Oxide: Fast Single-Stage Synthesis and Application as Electrocatalyst Materials 15(17) 6174 [online] mdpi.com. Available at: https://www.mdpi.com/1996-1944/15/17/6174