Modifica dei nanotubi di TiO2 mediante grafene

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22577 (2022) Citare questo articolo

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Qui, dimostriamo che la modifica dei nanotubi di TiO2 con perovskite di grafene-stronzio e molibdato di cobalto può trasformarli in elettrocatalizzatori attivi per la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER). A questo scopo è stato sviluppato un semplice metodo di sintesi idrotermale delle perovskiti direttamente sul substrato di nanotubi di TiO2. Inoltre, gli ibridi ottenuti sono stati anche decorati con ossido di grafene (GO) durante la sintesi idrotermale in una sola fase. I materiali ottenuti sono stati caratterizzati mediante microscopia elettronica a scansione con analisi di raggi X a dispersione di energia, spettroscopia Raman e analisi di diffrazione di raggi X. Le proprietà catalitiche sono state verificate mediante metodi elettrochimici (voltammetria lineare, cronopotenziometria). Gli ibridi ottenuti erano caratterizzati da proprietà catalitiche nei confronti della reazione di evoluzione dell'idrogeno molto migliori rispetto al TiO2 e leggermente peggiori del platino. Il catalizzatore ibrido ottimizzato (decorato da GO) può pilotare una densità di corrente catodica di 10 mA cm−2 con un sovrapotenziale di 121 mV per HER con una piccola pendenza Tafel di 90 mV dec−1 in 0,2 M H2SO4.

La reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) è una reazione cruciale nella scissione dell'acqua. È ancora necessario sintetizzare elettrocatalizzatori HER economici in un modo che sia efficace, semplice ed ecologicamente benigno. La progettazione della struttura nucleo-guscio appropriata del catalizzatore e il controllo della sua forma influiscono sull'attività e sulla durata del catalizzatore1. Una struttura tridimensionale del catalizzatore è vantaggiosa per esporre l'area superficiale e fornire i siti attivi, oltre ad essere propizia alla diffusione e all'adsorbimento delle molecole di idrogeno, accelerando il processo HER2, 3. Inoltre, la struttura tridimensionale del catalizzatore influenza le prestazioni della reazione di evoluzione dell'ossigeno4. Una nanostruttura gerarchica core-shell di un catalizzatore composta da molte reti conduttive interconnesse, fornisce più canali per la consegna ionica o di elettroni5. La nanolega spugnosa trattata al plasma mostra elevate prestazioni HER grazie all'esposizione di siti più attivi e marginali6. Oltre alla struttura del catalizzatore, un altro fattore che influenza le proprietà del catalizzatore è il suo drogaggio, ad esempio, con eteroatomi di azoto7. Rispetto al noto e costoso catalizzatore al platino, il TiO2 è ampiamente esplorato come catalizzatore alternativo. Tuttavia, per potenziare l’attività elettrocatalitica del TiO2 sono necessarie diverse modifiche. In alcuni articoli, il TiO2 è stato accoppiato con metalli come nichel8, rutenio9, 10, oro11, cobalto12, ossidi metallici come Co3O413, BiVO414 o strutture metallo-organiche15. Materiali molto promettenti progettati con TiO2 per catalizzare l'HER sono i solfuri metallici, ad esempio MoS216,17,18,19, CoS220 o WS221. Inoltre, i compositi ibridi con polimeri come il polimero organico poroso a base di truxene22 o la poli(anilina)23, la poli(o-fenilendiammina), il poli(tiofene) o il poli(pirrolo)24 si sono rivelati candidati desiderati per migliorare l'attività fotocatalitica del TiO2 . Un altro modo per modificare le proprietà dell'elettrocatalizzatore è il drogaggio con non metalli. Come descritto in molti articoli, il drogaggio con zolfo, azoto o carbonio riduce il bandgap di TiO225,26,27. Un altro modo per migliorare le proprietà è stato descritto da Pandey et al. dove nelle previsioni teoriche è stata studiata una struttura ibrida del liquido ionico 1-etil-3-metilimidazolio trifluorometansolfonato e (TiO2)n nanocluster (con n = 2−12) nella ricerca di nuovi materiali catalitici per un HER28 efficace. Inoltre, ibridi di TiO2 e materiali di carbonio come l'ossido di grafene13, 29 e nanotubi di carbonio a parete multipla30. I nanocompositi di ossido di grafene con struttura metallo-organica descritti in letteratura sono stati anche efficienti elettrocatalizzatori per la produzione di idrogeno tramite meccanismi di Volmer e Heyrovsky31. Lo svantaggio di molte soluzioni è ancora il doping con metalli costosi come argento, platino29. Pertanto è importante trovare nuove soluzioni ma senza metalli costosi e facili da preparare.