美國萊斯大學的科學家們正在探索一種方法: 即如何通過優化陰極的納米材料來提高燃料電池的成本效益, 並說明了摻雜納米材料催化氧還原反應(ORR)的原子級機制. 氮摻雜碳納米管(CNTs)或改性石墨烯納米帶可以成為鉑在快速氧還原中的可行替代物, 將化學能轉化為電能, 該過程是燃料電池的主要反應.
為了獲得氧還原反應的最佳性能, 應用不同的摻雜方式得到的不同碳材料. 圖中灰色是碳, 粉紅色是硼, 藍色是氮和白色是氫.
由於它們具有良好的導電性和機械性, 因此高性能, 設計性好的碳材料是氧還原反應的關鍵. 正如研究人員Xiaolong Zou在 'Materials Today' 中所談到的一樣: '開發陰極氧還原反應中的高效催化劑對於質子交換膜燃料電池的大規模應用是至關重要的. ' 據Nanoscale雜誌[Zou et. al. Nanoscale (2017) DOI: 10.1039/C7NR08061A]可知, 通過使用計算機類比, 研究小組研究了為什麼石墨烯納米帶和氮/硼摻雜的碳納米管反應太慢, 以及該如何改善的問題.
導電納米管或摻雜的納米帶改變了它們化學鍵的特性, 這有助於它們在質子交換膜燃料電池中用作陰極. 在標準燃料電池中, 陽極加入氫燃料, 然後將其分離成質子和電子. 當負電子流出成為可用電流時, 質子被拉入陰極與電子和氧氣再結合生成水.
據發現, 由於摻雜劑之間的相互作用以及化學鍵的變形, 氮摻雜多的超薄碳納米管能夠最有效地發揮作用. 納米管在這方面比納米帶好, 因為它們的曲率, 扭曲了化學鍵的邊緣使其更容易結合. 他們發現半徑在7至10埃之間的超薄納米管是最理想的.
開發陰極氧還原反應中的高效催化劑對於質子交換膜燃料電池的大規模應用是至關重要的. ——Xiaolong Zou
還證明了具有豐富邊緣, 摻雜氮和硼的石墨烯納米帶顯示了與吸收氧的納米管相當的性能. 在這裡, 氧氣提供了形成雙鍵的機會, 因為它們可以直接連接到帶正電荷的硼摻雜位點. 正如Boris Yakobson所說: '雖然摻雜納米管顯示出良好的前景, 但是在納米帶鋸齒邊緣取代氮可以暴露所謂的吡啶氮(其具有已知的催化活性), 因此可能實現最佳性能. '
現在, 該團隊希望開發出新的方法來即時的研究納米級電化學過程, 以及更好地進行摻雜物與有缺陷的碳材料之間的相互作用以提高性能.
