Udpakket carbon nanorør kan hjælpe med at give energi til brændselsceller, batterier

Multi-walled carbon nanorør fyldt med defekter og urenheder på ydersiden kan erstatte nogle af de dyre platinkatalysatorer, der bruges i brændselsceller og metal-luftbatterier, ifølge forskere ved Stanford University. Deres resultater offentliggøres i den 27. maj online -udgave af tidsskriftet Naturnanoteknologi .

"Platin er meget dyrt og dermed upraktisk for stor kommercialisering, "sagde Hongjie Dai, en professor i kemi ved Stanford og medforfatter af undersøgelsen. "At udvikle et billigt alternativ har været et stort forskningsmål i flere årtier."

I løbet af de sidste fem år har prisen på platin har varieret fra lige under $ 800 til mere end $ 2, 200 ounce. Blandt de mest lovende, billige alternativer til platin er carbon nanorøret-et sammenrullet ark af rent kulstof, kaldet grafen, det er et atom tykt og mere end 10, 000 gange smallere et menneskehår. Carbon nanorør og grafen er fremragende ledere af elektricitet og relativt billige at producere.

Til undersøgelsen, Stanford-teamet brugte multi-walled carbon nanorør bestående af to eller tre koncentriske rør indlejret sammen. Forskerne viste, at makulering af ydervæggen, mens de indre vægge efterlades intakte, forbedrer katalytisk aktivitet i nanorør, alligevel ikke forstyrrer deres evne til at lede elektricitet.

"Et typisk carbon nanorør har få defekter, "sagde Yanguang Li, en postdoktor ved Stanford og hovedforfatter af undersøgelsen. "Men defekter er faktisk vigtige for at fremme dannelsen af ​​katalytiske steder og for at gøre nanorøret meget aktivt for katalytiske reaktioner."

Lynlås

Til undersøgelsen, Li og hans kolleger behandlede flervæggede nanorør i en kemisk opløsning. Mikroskopisk analyse afslørede, at behandlingen fik det ydre nanorør til delvis at pakke ud og danne nanoserede grafenstykker, der klamrede sig til det indre nanorør, som forblev stort set intakt.

"Vi fandt ud af, at tilføjelse af et par jern- og nitrogenforureninger gjorde ydervæggen meget aktiv for katalytiske reaktioner, "Sagde Dai." Men indersiden bevarede sin integritet, giver en vej til elektroner til at bevæge sig rundt. Du vil have, at ydersiden skal være meget aktiv, men du vil stadig have god elektrisk ledningsevne. Hvis du brugte et enkelt-væg carbon nanorør, ville du ikke have denne fordel, fordi skaden på væggen ville forringe den elektriske ejendom. "

I brændselsceller og metal-luftbatterier, platinkatalysatorer spiller en afgørende rolle for at fremskynde de kemiske reaktioner, der omdanner hydrogen og ilt til vand. Men den delvist lukkede, multi-walled nanorør fungerer lige så godt, Tilføjede Li. "Vi fandt ud af, at den katalytiske aktivitet af nanorørene er meget tæt på platin, "sagde han." Denne høje aktivitet og designets stabilitet gør dem til lovende kandidater til brændselsceller. "

Forskerne sendte for nylig prøver af de eksperimentelle nanorørskatalysatorer til brændselscelleeksperter til test. "Vores mål er at producere en brændselscelle med meget høj energitæthed, der kan vare meget længe, "Sagde Li.

Flervæggede nanorør kan også anvendes i metal-luftbatterier fremstillet af lithium eller zink.

"Litiumluftbatterier er spændende på grund af deres ultrahøje teoretiske energitæthed, som er mere end 10 gange højere end nutidens bedste lithiumionteknologi, "Sagde Dai." Men en af ​​anstødsstenene til udvikling har været manglen på en højtydende, billig katalysator. Carbon nanorør kan være et glimrende alternativ til platin, palladium og andre ædle metalkatalysatorer nu i brug. "

Kontroversielle websteder

Stanford-undersøgelsen kan også have løst en mangeårig videnskabelig kontrovers om den kemiske struktur af katalytiske aktive steder, hvor der opstår iltreaktioner. "En gruppe forskere mener, at jernforureninger er bundet til nitrogen på det aktive sted, "Sagde Li." En anden gruppe mener, at jern stort set ikke bidrager med noget, bortset fra at promovere aktive steder, der udelukkende består af nitrogen. "

For at løse kontroversen, Stanford-teamet rekrutterede forskere ved Oak Ridge National Laboratory til at foretage atomskala-billeddannelse og spektroskopianalyse af nanorørene. Resultaterne viste tydelige, visuelle tegn på jern- og nitrogenatomer i umiddelbar nærhed.

"For første gang, vi var i stand til at forestille individuelle atomer på denne form for katalysator, "Sagde Dai." Alle billederne viste jern og nitrogen tæt sammen, tyder på, at de to elementer er bundet. Denne form for billeddannelse er mulig, fordi grafenstykkerne bare er et atom tykke. "

Dai bemærkede, at jernforureningerne, som øger katalytisk aktivitet, faktisk kom fra metalfrø, der blev brugt til at lave nanorørene og ikke med vilje blev tilføjet af forskerne. Opdagelsen af ​​disse utilsigtede, men alligevel uvurderlige stumper af jern tilbød forskerne en vigtig lektion. "Vi lærte, at metalforureninger i nanorør ikke må ignoreres, "Sagde Dai.