2018年1月8日
研究人员认为莱斯大学，氮掺杂碳纳米管或改性石墨烯纳米带可能是铂的理想替代品，用于快速氧还原。这是燃料电池的主要反应，它将化学能转化为电能。
莱斯大学科学家的模拟演示了如何优化碳纳米材料，以取代发电燃料电池阴极中昂贵的铂。欧洲杯足球竞彩(图片来源:雅可布森研究集团)
这一发现来自于莱斯大学研究人员的计算机模拟，他们的目标是找出如何增强碳纳米材料用于燃料电池阴极。欧洲杯足球竞彩他们的研究揭示了掺杂纳米材料催化氧还原反应(ORR)的原子级机制。欧洲杯足球竞彩
这项研究发表在英国皇家化学学会的《纳米》杂志上。
理论物理学家Boris Yakobson和他的Rice同事正在寻找一种加速燃料电池ORR的方法th但直到20世纪下半叶才被广泛使用th．从那以后，它们为从汽车到宇宙飞船的各种交通方式提供了动力。
水稻团队,包括作者和前枭龙邹博士后和研究生绿青白,利用电脑模拟来找出为什么石墨烯带的制作都与碳纳米管改性氮和/或硼(长期以来被认为是代替昂贵的铂)是如此缓慢,以及他们如何可以改变。
掺杂，或化学修饰，导电纳米管或纳米带改变了它们的化学结合特征。它们随后可作为质子交换膜燃料电池的阴极。在简单的燃料电池中，阳极吸收氢燃料并将其分解为电子和质子。当负电子作为功能电流流出时，正质子被吸引到阴极，在那里它们与返回的电子和氧重新结合生成水。
模型显示，较薄的碳纳米管和相对高浓度的氮效果最好，因为氧原子很容易与接近氮的碳原子结合。研究人员发现，纳米管比纳米带更有优势，因为它们的曲率会扭曲其周长周围的化学键，导致更容易结合。
复杂的部分是创造一种既不太强也不太弱的催化剂，因为它与氧结合。根据研究人员的说法，纳米管的曲线提供了一种调整纳米管结合能的方法，他们确定半径在7到10 Å之间的“超薄”纳米管是最好的。(1埃等于100亿分之一米;作为比较，标准原子的直径约为1Å。)
他们还证明，石墨烯纳米带与氮和硼共掺杂提高了锯齿状边缘带的吸氧能力。在这种情况下，氧找到了一个双键的机会。首先，它们直接附着在带正电的掺杂硼的位置上。其次，它们被具有高自旋电荷的碳原子吸引，碳原子与氧原子的自旋极化电子轨道相互作用。虽然自旋效应改善了吸附，但结合能仍然很弱，也达到了一种平衡，允许良好的催化性能。
研究人员证明，同样的催化原理也适用于带扶手椅边缘的纳米带，但效果较差。
“虽然掺杂纳米管的前景很好，但最好的性能可能是在纳米带的锯齿形边缘，在那里氮取代可以暴露所谓的吡啶氮，这是已知的催化活性，”Yakobson说。
”如果以泡沫状结构排列，这种材料的效率可以接近铂，”王说。”如果考虑价格，它肯定是有竞争力的。”
邹涛目前是中国深圳清华-伯克利深圳学院的助理教授。雅可布森是卡尔·f·哈塞尔曼材料科学和纳米工程教授和化学教授。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球
罗伯特·韦尔奇基金会、陆军研究办公室、深圳市发展和改革委员会、国家青年千人计划、清华-伯克利深圳研究院等资助。