Cientistas da Rice University nos Estados Unidos estão explorando uma maneira de melhorar a relação custo-eficácia das células de combustível otimizando os nanomateriais do cátodo e explicando o mecanismo de escala atômica para a reação catalítica de redução de oxigênio (ORR) de nanomateriais dopados. Os nanotubos de carbono (CNTs) ou os nanoribás de grafeno modificados podem ser um substituto viável para a platina na redução rápida de oxigênio, convertendo a energia química em energia elétrica, que é a principal reação das células de combustível.
Para obter o melhor desempenho da reação de redução de oxigênio, são utilizados diferentes materiais de carbono obtidos por diferentes métodos de doping. No desenho, o cinza é carbono, o rosa é o boro, o azul é o nitrogênio e o branco é o hidrogênio.
Devido à sua boa condutividade e propriedades mecânicas, os materiais de carbono de alto desempenho e bem construídos são a chave para as reações de redução de oxigênio, como o pesquisador Xiaolong Zou disse em 'Today Materials': 'Developing Cathodic Redox O catalisador eficiente na reação é crucial para aplicações em larga escala de células de combustível de membrana de troca de prótons ". Segundo a revista Nanoscale 'Zou et al. Nanoscale (2017) DOI: 10.1039 / C7NR08061A', usando a simulação de computador, a equipe de pesquisa A razão pela qual os nanoribôs de grafeno e os nanotubos de carbono dobrados com nitrogênio / boro reagem muito devagar e como o problema foi melhorado.
Os nanotubos condutores ou nanoribilas dopados alteram suas propriedades de ligação química, o que os ajuda a serem usados como cátodos em células de combustível de membrana de troca de prótons. Em uma célula de combustível padrão, o ânodo é carregado com um combustível de hidrogênio e depois é separado em prótons e Os elétrons negativos fluem como corrente disponível, os prótons são puxados para o cátodo e se recombinam com elétrons e oxigênio para formar água.
Verificou-se que os nanotubos de carbono ultra-finos dopados com nitrogênio podem funcionar de forma mais eficiente devido à interação entre dopantes e à deformação de ligações químicas. Os nanotubos são melhores do que os nanoribões a este respeito, porque a sua curvatura distorce As bordas das ligações químicas facilitam a ligação, e descobriram que os nanotubos ultrafinos com raios entre 7 e 10 angstroms são ideais.
O desenvolvimento de catalisadores eficientes para reações de redução de oxigênio catódico é crucial para a aplicação em larga escala de células de combustível de membrana de troca de prótons. - Xiaolong Zou
Também foi demonstrado que os nanoribôs de grafeno com bordas ricas, nitrogênio e boro dopados, mostram desempenho comparável aos nanotubos que absorvem oxigênio. Aqui o oxigênio oferece a oportunidade de formar ligações duplas porque podem ser diretamente conectados a cargas positivas Os sites de doping de boro. Como Boris Yakobson disse: "Embora os nanotubos dopados mostrem boas perspectivas, a substituição do nitrogênio na borda serrilhada do nanoribão pode expor o chamado nitrogênio da piridina (que tem uma atividade catalítica conhecida), portanto, Pode alcançar o melhor desempenho.
Agora, a equipe espera desenvolver novas formas de estudar os processos eletroquímicos de nano escala em tempo real e melhor realizar interações entre dopantes e materiais de carbono defeituosos para melhorar o desempenho.
