納米材料新用途：制造出更便宜的的燃料電池

為了獲得氧還原反應(yīng)的最佳性能,應(yīng)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。

美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家們正在探索一種方法:即如何通過優(yōu)化陰極的納米材料來提高燃料電池的成本效益,并說明了摻雜納米材料催化氧還原反應(yīng)(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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,該過程是燃料電池的主要反應(yīng)。

由于它們具有良好的導(dǎo)電性和機械性,因此高性能、設(shè)計性好的碳材料是氧還原反應(yīng)的關(guān)鍵。正如研究人員Xiaolong Zou在“Materials Today”中所談到的一樣:“開發(fā)陰極氧還原反應(yīng)中的高效催化劑對于質(zhì)子交換膜燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用是至關(guān)重要的?！睋?jù)Nanoscale雜志[Zou et. al. Nanoscale (2017) DOI: 10.1039/C7NR08061A]可知,通過使用計算機模擬,研究小組研究了為什么石墨烯納米帶和氮/硼摻雜的碳納米管反應(yīng)太慢,以及該如何改善的問題。

導(dǎo)電納米管或摻雜的納米帶改變了它們化學(xué)鍵的特性,這有助于它們在質(zhì)子交換膜燃料電池中用作陰極。在標(biāo)準(zhǔn)燃料電池中,陽極加入氫燃料,然后將其分離成質(zhì)子和電子。當(dāng)負電子流出成為可用電流時,質(zhì)子被拉入陰極與電子和氧氣再結(jié)合生成水。

據(jù)發(fā)現(xiàn),由于摻雜劑之間的相互作用以及化學(xué)鍵的變形,氮摻雜多的超薄碳納米管能夠最有效地發(fā)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(xué)鍵的邊緣使其更容易結(jié)合。他們發(fā)現(xiàn)半徑在7至10埃之間的超薄納米管是最理想的。

開發(fā)陰極氧還原反應(yīng)中的高效催化劑對于質(zhì)子交換膜燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用是至關(guān)重要的。

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(dāng)?shù)男阅?。在這里,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(xiàn)最佳性能?！?/p>

現(xiàn)在,該團隊希望開發(fā)出新的方法來實時的研究納米級電化學(xué)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。