化石燃料的有限可用性和不断增长的能源需求刺激了对能量转换和存储系统的深入研究。由于其显着的潜在能量密度和环境问题，燃料电池在众多能量存储系统的选择中受到了相当大的关注。

用于减少氧气的电催化剂是可以显着提高燃料电池性能的关键部件，燃料电池被认为是未来电动汽车的动力。对于更经济的燃料电池，工程师需要快速有效的电催化剂，它可以分解氢气来发电。

由UNIST的跨学科绿色能源学院的Byeong-SuKim教授领导的UNIST研究小组介绍了通过各种小有机分子的共价官能化和随后的热处理制备的新型杂原子掺杂石墨烯纳米片的独特设计和表征。。这项工作由联合国教科文组织跨学科绿色能源学院的本科生MinjuPark提出并实施。

有许多可用的方法来制备氮掺杂(N掺杂)石墨烯。这些方法成功地在石墨烯框架内引入氮原子。然而，它们中的许多需要有毒气体前体，并且不能控制掺杂程度和氮官能团的类型。

在这里，UNIST研究小组提出了一种简单的化学功能化方法，用于将杂原子-石墨烯纳米片与小有机分子一起用作氧还原反应的电催化剂。

以下是如何制备材料：石墨氧化物粉末由石墨粉末制备，氧化并剥离，在超声处理下得到氧化石墨烯(GO)的棕色分散体。氧化石墨烯纳米片在边缘上具有各种官能团，例如羧酸(-COOH)，羟基(-OH)和环氧(-COC)。

当GO悬浮液在1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)存在下与胺反应时，通常得到水溶性碳二亚胺作为盐酸盐，GO中的羧基与胺反应形成酰胺基团。。研究小组将其定义为“NGOn”，它是化学功能化的氧化石墨烯。NGOn悬浮液在氩气氛下用管式炉在800℃下退火1h，氮气掺入氧化石墨烯纳米片中，去除氧气，称为“NRGOn”。

此外，UNIST研究小组展示了如何通过改变氮掺杂剂的程度和配置来改善电化学性能。此外，他们将该方法扩展到将其他杂原子(例如硼和硫)引入石墨烯纳米片中。

“与市售的Pt/C催化剂相比，氮掺杂石墨烯纳米片具有更高的稳定性。这种方法也已经成功地扩展到石墨烯纳米片上的其他杂原子，如硼和硫，”MinjuPark说。

“我们预计这项研究将为混合电催化剂的进一步发展提供机会和见解，”金教授表示，展望未来的研究可能性。