Ученые из Университета Райса в Соединенных Штатах изучают пути повышения экономической эффективности топливных элементов за счет оптимизации катодных наноматериалов и объясняют механизм атомного уровня реакции восстановления каталитического кислорода (ORR) легированных наноматериалов. Углеродные нанотрубки (CNT) или модифицированные нанограмы графена могут быть жизнеспособной альтернативой платине для быстрого снижения содержания кислорода, превращая химическую энергию в электрическую энергию, что является основной реакцией топливных элементов.
Для получения наилучших результатов реакции восстановления кислорода различные углеродные материалы, полученные различными методами легирования, показаны на рисунке: серый - это углерод, розовый - бор, синий - азот, а белый - водород.
Из-за их хорошей проводимости и механических свойств высокоэффективные, хорошо продуманные углеродные материалы являются ключом к снижению кислорода. Так же, как рассказывает исследователь Xiaolong Zou в «Материалах сегодня»: «Разработка катодного снижения кислорода», Высокоэффективный катализатор в реакции имеет решающее значение для крупномасштабного применения топливных элементов с протонной обменной мембраной. Согласно Zo et al. Nanoscale (2017) Nanoscale, DOI: 10.1039 / C7NR08061A ', исследовательская группа использовала компьютерное моделирование. Мы изучили, почему графеновые наноуглероды и углеродные нанотрубки, легированные азотом / бором, реагируют слишком медленно и как их улучшить.
Проводящие нанотрубки или легированные нанороботы изменяют свои химические свойства связи, что помогает им использовать в качестве катодов в топливных элементах протонообменной мембраны. В стандартном топливном элементе анод загружают водородным топливом и затем разделяют на протоны и Электроны. По мере того, как отрицательные электроны выходят как имеющийся ток, протоны втягиваются в катод и рекомбинируют с электронами и кислородом для образования воды.
Было обнаружено, что ультратонкие углеродные нанотрубки, легированные азотом, могут работать наиболее эффективно из-за взаимодействия между легирующей примесью и деформацией химических связей. Нанотрубки лучше, чем нанороботы, в этом отношении, потому что их кривизна искажается Края химических связей упрощают связь, и они обнаружили, что ультратонкие нанотрубки с радиусами от 7 до 10 ангстремов идеальны.
Разработка эффективных катализаторов для катодного восстановления кислорода имеет решающее значение для широкомасштабного использования топливных элементов с протонообменными мембранами. - Xiaolong Zou
Было также продемонстрировано, что графеновые наноуглероды с обильными краями, легированный азотом и бором показывают сравнимую производительность с поглощающими кислород нанотрубками, где кислород дает возможность образовывать двойные связи, поскольку они могут быть непосредственно связаны с положительно заряженными Борон Якобсон сказал: «Хотя легированные нанотрубки имеют хорошие перспективы, замещение азота на краю нанороботов может вызывать так называемый пиридиновый азот, который имеет известную каталитическую активность и, следовательно, Может достичь наилучшей производительности.
Теперь команда надеется разработать новые способы изучения наномасштабных электрохимических процессов в режиме реального времени и улучшить взаимодействие между легирующей примесью и дефектными углеродными материалами для повышения производительности.
