Welche neuen Anwendungsmöglichkeiten bietet das „Traummaterial“ Graphin im Bereich der Elektrochemie?

Produziert von: Science Popularization China Autor: Otto Xingguang Produziert von: China Science Popularization Expo

Energie- und Umweltprobleme sind die beiden größten Herausforderungen, vor denen die Menschheit heute steht, und es handelt sich dabei auch um wichtige Probleme, die dringend angegangen werden müssen. Die von China zeitgemäß vorgeschlagenen „dualen Kohlenstoffziele“ sind ein wichtiges strategisches Mittel zur Erreichung einer nachhaltigen Entwicklung und werden von Regierungen auf der ganzen Welt allgemein anerkannt und beachtet.

Um das ehrgeizige Ziel der „Dual-Carbon-Energie“ zu erreichen, müssen wir sauberere Energie nutzen. Wie kann man neue Energie sinnvoll nutzen? Derzeit sind zwei Schlüsselstrategien erforderlich: elektrochemische Energiespeicherung und -umwandlung . Die Anwendung eines neuen Vollkohlenstoffmaterials, Graphdiyne (GDY), bietet neue Perspektiven und Inspiration für traditionelle Lösungen.

Kürzlich veröffentlichten Forscher des Instituts für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften außerdem einen Übersichtsartikel über die Anwendung von Graphin bei der elektrochemischen Energiespeicherung und -umwandlung. Dieser Artikel stellt uns die einzigartigen Vorteile und Forschungsfortschritte zweidimensionaler Graphin-Kohlenstoffmaterialien in elektrochemischen Elektrodenschnittstellenanwendungen vor. Darüber hinaus zeigt es uns auch die spezifischen Anwendungsszenarien von Graphin.

Bevor wir jedoch verstehen, wie Graphin im Einzelnen verwendet wird, wollen wir zunächst darüber sprechen, was Graphin ist.

Glottyne ist ein neues Allotrop von Kohlenstoff und ein zweidimensionales poröses Filmmaterial nach Fullerenen, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen. In Graphin bilden Kohlenstoffatome ein π-Elektronen-konjugiertes Gerüst und Poren durch eine Vielzahl von Bindungsmodi, einschließlich sp- und sp2-Hybridisierung, einschließlich aromatischer Bindungen, Einfachbindungen und Dreifachbindungen, die selektiv Ionen übertragen können; Unterschiedliche Bindungslängen verleihen ihm eine höhere strukturelle Flexibilität und erleichtern zudem die Regulierung der Umgebung der elektrochemischen Schnittstelle.

Als neuartiges elektrochemisches Grenzflächenmaterial weist Graphin eine bemerkenswerte Überlegenheit und Kompatibilität hinsichtlich der Struktur sowie der physikalischen und chemischen Eigenschaften auf.

Abbildung 1. Anwendungsszenarien von Graphin in den Bereichen Energiespeicherung und Energieumwandlung (Bildquelle: Referenz [1])

Anwendung von Graphdyn in der elektrochemischen Energiespeicherung

Elektrochemische Energiespeicher spielen eine wichtige Rolle bei der Förderung der zukünftigen Energiewende. Repräsentative Lithium-Ionen-Batterien finden sich auch überall in unserem täglichen Leben, beispielsweise in Mobiltelefonen, Laptops, Elektrofahrzeugen usw. Neben ihren vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten machen Lithium-Ionen-Batterien unseren Alltag auch wirtschaftlicher, effizienter und umweltfreundlicher.

Bei der tatsächlichen Anwendung von Lithiumbatterien gibt es jedoch ein Problem, das die Leistung von Lithiumbatterien einschränkt. Das ist ein Schnittstellenproblem. Mittlerweile sind Schnittstellenprobleme auch bei Elektrodenmaterialien der nächsten Generation zu einem häufigen Hindernis geworden. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass durch die Modifizierung von Graphin und dessen Anwendung auf der Batterieschnittstelle Lithiumdendriten wirksam unterdrückt werden können, was die Lebensdauer und Sicherheit der negativen Lithiummetallelektrode verbessern kann.

Welche Magie besitzt das modifizierte Graphin, das die Schnittstellenprobleme von Batterien verbessern kann? Experimente haben gezeigt, dass Graphin eine hohe Lithium-Affinität aufweist und die Kinetik von Lithium durch einen Desolvatisierungsprozess verbessern kann, da die Poren des Graphins Lithiumionen ungehindert passieren lassen, Lösungsmittelmoleküle jedoch fernhalten.

Neben Lithium verfügt Graphinfilm auch über eine hohe Leitfähigkeit und hohe Selektivität für Protonen, gepaart mit nahezu perfekten mechanischen Eigenschaften und chemischer Stabilität, was auch die guten Anwendungsaussichten von Graphin im Bereich der Brennstoffzellen zeigt.

Abbildung 2. Schematische Darstellung des Desolvatisierungsprozesses von Lithiumionen, die durch die Poren von Graphin gelangen (Bildquelle: Referenz [1])

Die Forscher kombinierten das Wachstum von Graphin außerdem mit der Elektrodenvorbereitung, indem sie zunächst aktive Materialien auf Kupferfolie züchteten oder beschichteten und dann Graphin in situ auf diesen aktiven Materialien züchteten und ein dreidimensionales Verbindungsnetzwerk bildeten, wodurch ein stabiler Kanal für die Leitung von Ionen und Elektronen bereitgestellt und ein starker sterischer Schutz für die Elektroden gewährleistet wurde.

Abbildung 3. Schematische Darstellung der durch Graphin gebildeten Schutzschicht (Bildquelle: Referenz [1])

Anwendung von Graphdyn im Bereich der elektrochemischen Energieumwandlung

Neben der elektrochemischen Energiespeicherung ist auch die Energieumwandlung ein notwendiges Mittel, um Energie effizient zu nutzen und den Schadstoffausstoß zu reduzieren. GDY spielt auch bei der Energieumwandlung eine Rolle.

Graphdine verfügt über ein breites Spektrum an Anwendungsszenarien im Bereich der elektrochemischen Energieumwandlung, darunter Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) und Kohlendioxidreduktionsreaktion (CO2RR).

Im Vergleich zu Graphen, das aus sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen besteht, sind die Elektronen im π-konjugierten Netzwerk von Graphen, das aus sp- und sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen besteht, ungleichmäßig, was die Möglichkeit der Entstehung neuer aktiver Stellen birgt. Im Folgenden stellen wir die spezifische Rolle von Graphin anhand der beiden Reaktionsbeispiele ORR und NRR vor.

Die erste ist die katalytische ORR-Reaktion, die die grundlegende Reaktion für die nächste Generation elektrochemischer Energietechnologie mit hoher Energiedichte darstellt.

Sauerstoff (O2) ist ein Bestandteil der Luft, von dem wir zum Überleben abhängig sind. Sauerstoff selbst ist auch ein Oxidationsmittel für die Verbrennungsreaktionen verschiedener Brennstoffe. Auch in Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran ist Sauerstoff ein wichtiger Bestandteil. Wenn es ein Material gibt, das die Sauerstoffadsorption fördern kann, ist dies für den katalytischen ORR-Reaktionsprozess von Vorteil.

Im Verlauf dieser katalytischen Reaktion kann die Zugabe von modifiziertem Graphin die Aktivität des Katalysators verbessern. Der grundlegende Grund besteht darin, dass die ursprüngliche Dotierung mit Stickstoffatomen im zweidimensionalen Graphin die Sauerstoffadsorption an den aktiven Stellen und den anschließenden Elektronentransfer fördern kann. Darüber hinaus gelten auch trägergestützte Einzelatomkatalysatoren auf Graphinbasis als wirksam im ORR-Reaktionsprozess.

Abbildung 4. Schematische Darstellung der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) von stickstoffdotiertem Graphin (Bildquelle: Referenz [1])

Auch Graphin spielt bei der NRR-Reaktion eine Rolle.

Ammoniak (NH3) spielt in der Landwirtschaft und Energie eine wichtige Rolle. Ammoniak kann als wichtiger Stickstoffdünger und als Brennstoff für Brennstoffzellen verwendet werden. Andererseits ist die Herstellung von synthetischem Ammoniak ein enorm energieintensiver Industriezweig, sodass die Entwicklung neuer Verfahren zur Ammoniaksynthese große Anwendungsaussichten hinsichtlich Energieeinsparung und Umweltschutz bieten kann.

Bei der NRR-Reaktion stellten die Forscher fest, dass Graphin indirekt Ammoniak fixieren kann, was wiederum die nachfolgende NRR-Reaktion unterstützt. Der konkrete Vorgang läuft wie folgt ab: Die Forscher fanden heraus, dass atomar dispergierte nullwertige Molybdän (Mo)-Atome stabil auf Graphin verankert werden können, was auf den Koordinationseffekt zwischen Übergangsmetallatomen und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen zurückzuführen ist. Theoretische Berechnungen zeigen, dass die lokalen Ladungen auf den Mo-Atomen umverteilt werden und zu elektronenreichen Zentren werden, während die Mo-Atome zu Adsorptionsstellen für Stickstoff werden und anschließend NRR-Reaktionen stattfinden.

Abbildung 5. Schematische Darstellung der Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) von Graphin, das mit Molybdänatomen verankert ist (Bildquelle: Referenz [1])

Zusammenfassen

Auf dem Gebiet der elektrochemischen Energiespeicherung und -umwandlung wurden bei Graphin als vielversprechendem neuen Material einige Leistungsdurchbrüche erzielt, es befindet sich jedoch noch immer in der primären Forschungsphase.

Wissenschaftler erforschen jedoch die bestehenden Anwendungsbereiche eingehender und systematischer, um die praktischen Anwendungsszenarien von Graphin weiter zu erweitern. Als neuer Typ eines Vollkohlenstoffhalbleiters mit natürlicher Energiebandlücke wird er beispielsweise in elektronischen Geräten wie Feldeffekttransistoren, Geräten für künstliche Intelligenz, tragbaren Geräten und optoelektronischen Geräten usw. verwendet.

Wir erwarten außerdem, dass Graphin uns in naher Zukunft in verschiedenen Anwendungsbereichen unerwartete Überraschungen bescheren wird.

Herausgeber: Guo Yaxin

Quellen:
[1] X. Gao, J. Li, Z. Zuo, Erweiterte elektrochemische Energiespeicherung und -umwandlung auf Graphdiin-Schnittstellen. Nano-Forschungsenergie. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120036.