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研究增加了对更便宜的燃料电池的希望

2019-03-09 09:21:59
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根据莱斯大学的研究人员的说法,掺氮碳纳米管或改性石墨烯纳米带可能是铂的合适替代品,用于快速减少氧气,这是燃料电池中将化学能转化为电能的关键反应。

研究结果来自莱斯科学家的计算机模拟,他们着手研究碳纳米材料如何改进燃料电池阴极。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。

该研究发表在皇家化学学会期刊Nanoscale上。

理论物理学家鲍里斯·雅科布森和他的莱斯同事正在寻找一种方法来加速燃料电池的ORR,这种方法在19世纪被发现但直到20世纪后期才被广泛使用。从那时起,他们就开始提供从汽车和公共汽车到航天器的运输模式。

赖斯的研究人员,包括主要作者和前博士后邹晓龙和研究生Luqing Wang,使用计算机模拟发现为什么用氮和/或硼改性的石墨烯纳米带和碳纳米管,长期以来作为昂贵的铂的替代品,是如此缓慢以及如何改进它们。

掺杂或化学改性导电纳米管或纳米带改变了它们的化学键合特性。然后它们可以用作质子交换膜燃料电池中的阴极。在简单的燃料电池中,阳极吸收氢燃料并将其分离成质子和电子。当负电子作为可用电流流出时,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以产生水。

模型显示,具有相对高浓度氮的较薄碳纳米管将表现最佳,因为氧原子容易与最接近氮的碳原子键合。研究人员发现,纳米管具有优于纳米带的优势,因为它们的曲率会扭曲其周围的化学键并使其更容易结合。

棘手的一点是制造一种既不太强也不太弱的催化剂,因为它与氧气结合。据研究人员称,纳米管的曲线提供了一种调节纳米管结合能的方法,他们确定半径在7到10埃之间的“超薄”纳米管是理想的。(埃度是十亿分之一米;相比之下,典型的原子直径约为1埃。)

他们还展示了共掺杂石墨烯纳米带与氮和硼增强了带有锯齿形边缘的带的氧吸收能力。在这种情况下,氧气发现了双键机会。首先,它们直接附着在带正电荷的硼掺杂位点上。其次,它们被具有高自旋电荷的碳原子吸引,其与氧原子的自旋极化电子轨道相互作用。虽然旋转效应增强了吸附,但结合能仍然很弱,同时实现了平衡,从而实现了良好的催化性能。

研究人员表明,相同的催化原理适用于具有扶手椅边缘的纳米带,但影响较小。

“虽然掺杂纳米管显示出良好的前景,但在纳米带锯齿形边缘处可能实现最佳性能,其中氮取代可暴露所谓的吡啶氮,其具有已知的催化活性,”Yakobson说。

“如果以泡沫状配置排列,这种材料可以达到铂的效率,”王说。“如果价格是一个考虑因素,它肯定会具有竞争力。”

邹现任深圳市清华 - 伯克利深圳研究所助理教授。Yakobson是Karl F. Hasselmann材料科学和纳米工程教授以及化学教授。

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