Forskere viser, hvordan man optimerer nanomaterialer til brændselscellekatoder

Nitrogen-doterede kulstof nanorør eller modificerede grafen nanobånd kan være egnede erstatninger for platin til hurtig iltreduktion, nøglereaktionen i brændselsceller, der omdanner kemisk energi til elektricitet, ifølge forskere fra Rice University.

Resultaterne er fra computersimuleringer af Rice-forskere, der satte sig for at se, hvordan kulstofnanomaterialer kan forbedres til brændselscellekatoder. Deres undersøgelse afslører de mekanismer på atomniveau, hvorved dopede nanomaterialer katalyserer oxygenreduktionsreaktioner (ORR).

Forskningen vises i tidsskriftet Royal Society of Chemistry Nanoskala .

Teoretisk fysiker Boris Yakobson og hans Rice-kolleger er blandt mange på udkig efter en måde at fremskynde ORR for brændselsceller, som blev opdaget i det 19. århundrede, men først brugt meget i den sidste del af det 20. århundrede. De har siden drevet transportformer lige fra biler og busser til rumfartøjer.

Risforskerne, herunder hovedforfatter og tidligere postdoktor Xiaolong Zou og kandidatstuderende Luqing Wang, brugt computersimuleringer til at opdage, hvorfor grafen nanobånd og kulstof nanorør modificeret med nitrogen og/eller bor, længe studeret som en erstatning for dyr platin, er så træge, og hvordan de kan forbedres.

Doping, eller kemisk modificerende, ledende nanorør eller nanobånd ændrer deres kemiske bindingsegenskaber. De kan derefter bruges som katoder i protonudvekslingsmembranbrændselsceller. I en simpel brændselscelle, anoder trækker brintbrændstof ind og adskiller det i protoner og elektroner. Mens de negative elektroner flyder ud som brugbar strøm, de positive protoner trækkes til katoden, hvor de rekombinerer med tilbagevendende elektroner og ilt for at producere vand.

Modellerne viste, at tyndere kulstof nanorør med en relativt høj koncentration af nitrogen ville klare sig bedst, da oxygenatomer let binder til carbonatomet nærmest nitrogenet. Nanorør har en fordel i forhold til nanobånd på grund af deres krumning, som forvrænger kemiske bindinger rundt om deres omkreds og fører til lettere binding, fandt forskerne.

Det vanskelige er at lave en katalysator, der hverken er for stærk eller for svag, da den binder til ilt. Kurven af ​​nanorøret giver en måde at justere nanorørets bindingsenergi på, ifølge forskerne, som bestemte, at "ultrathine" nanorør med en radius mellem 7 og 10 ångstrøm ville være ideelle. (En ångstrøm er en ti-milliard af en meter; til sammenligning, et typisk atom er omkring 1 ångstrøm i diameter.)

De viste også co-doping af grafen nanobånd med nitrogen og bor forbedrer de iltabsorberende evner af bånd med zigzag kanter. I dette tilfælde, oxygen finder en dobbeltbindingsmulighed. Først, de binder sig direkte til positivt ladede bor-doterede steder. Sekund, de er trukket af carbonatomer med høj spin ladning, som interagerer med iltatomernes spin-polariserede elektronorbitaler. Mens spin-effekten forbedrer adsorption, bindingsenergien forbliver svag, også opnå en balance, der giver mulighed for god katalytisk ydeevne.

Forskerne viste, at de samme katalytiske principper var gældende, men til mindre effekt, til nanobånd med lænestolskanter.

"Mens dopede nanorør lover godt, den bedste ydeevne kan sandsynligvis opnås ved nanobåndets zigzag-kanter, hvor nitrogensubstitution kan afsløre det såkaldte pyridiniske nitrogen, som har kendt katalytisk aktivitet, " sagde Yakobson.

"Hvis den er arrangeret i en skumlignende konfiguration, sådant materiale kan nærme sig effektiviteten af ​​platin, " sagde Wang. "Hvis prisen er en overvejelse, det ville helt sikkert være konkurrencedygtigt."