Flerväggiga kolnanorör fyllda av defekter och föroreningar på utsidan skulle kunna ersätta några av de dyra platinakatalysatorerna som används i bränsleceller och metall-luftbatterier, enligt forskare vid Stanford University. Deras resultat publiceras i den 27 maj onlineupplagan av tidskriften Naturens nanoteknik .

"Platina är mycket dyrt och därför opraktiskt för storskalig kommersialisering, sa Hongjie Dai, en professor i kemi vid Stanford och medförfattare till studien. "Att utveckla ett lågkostnadsalternativ har varit ett stort forskningsmål i flera decennier."

Under de senaste fem åren, Priset på platina har varierat från strax under $800 till mer än $2, 200 ett uns. Bland de mest lovande, lågkostnadsalternativ till platina är kolnanoröret – ett hoprullat ark av rent kol, kallas grafen, som är en atom tjock och mer än 10, 000 gånger smalare ett människohår. Kolnanorör och grafen är utmärkta ledare av elektricitet och relativt billiga att producera.

För studien, Stanford-teamet använde flerväggiga kolnanorör bestående av två eller tre koncentriska rör kapslade ihop. Forskarna visade att rivning av ytterväggen, samtidigt som innerväggarna lämnas intakta, ökar katalytisk aktivitet i nanorör, men stör inte deras förmåga att leda elektricitet.

"Ett typiskt kolnanorör har få defekter, sa Yanguang Li, en postdoktor vid Stanford och huvudförfattare till studien. "Men defekter är faktiskt viktiga för att främja bildandet av katalytiska platser och för att göra nanoröret mycket aktivt för katalytiska reaktioner."

Uppackad

För studien, Li och hans medarbetare behandlade flerväggiga nanorör i en kemisk lösning. Mikroskopisk analys avslöjade att behandlingen fick det yttre nanoröret att delvis öppna och bilda nanostora grafenbitar som klamrade sig fast vid det inre nanoröret, som förblev mestadels intakt.

"Vi fann att tillsats av några järn- och kväveföroreningar gjorde ytterväggen mycket aktiv för katalytiska reaktioner, " sa Dai. "Men insidan behöll sin integritet, ger en väg för elektroner att röra sig runt. Du vill att utsidan ska vara väldigt aktiv, men du vill ändå ha bra elektrisk ledningsförmåga. Om du använde ett enkelväggigt kolnanorör skulle du inte ha denna fördel, eftersom skadorna på väggen skulle försämra den elektriska egendomen."

I bränsleceller och metall-luftbatterier, platinakatalysatorer spelar en avgörande roll för att påskynda de kemiska reaktioner som omvandlar väte och syre till vatten. Men den delvis upplåsta, flerväggiga nanorör kan fungera lika bra, Li tillade. "Vi fann att den katalytiska aktiviteten hos nanorören är mycket nära platina, "Denna höga aktivitet och stabiliteten i designen gör dem till lovande kandidater för bränsleceller."

Forskarna skickade nyligen prover av de experimentella nanorörskatalysatorerna till bränslecellsexperter för testning. "Vårt mål är att producera en bränslecell med mycket hög energitäthet som kan hålla väldigt länge, " sa Li.

Flerväggiga nanorör kan också ha tillämpningar i metall-luftbatterier gjorda av litium eller zink.

"Litium-luftbatterier är spännande på grund av deras ultrahöga teoretiska energitäthet, vilket är mer än 10 gånger högre än dagens bästa litiumjonteknologi, " Sa Dai. "Men en av stötestenarna för utveckling har varit bristen på en högpresterande, lågkostnadskatalysator. Kolnanorör kan vara ett utmärkt alternativ till platina, palladium och andra ädelmetallkatalysatorer som nu används."

Kontroversiella sajter

Stanford-studien kan också ha löst en långvarig vetenskaplig kontrovers om den kemiska strukturen hos katalytiska aktiva platser där syrereaktioner inträffar. "En grupp forskare tror att järnföroreningar är bundna till kväve på den aktiva platsen, ", sa Li. "En annan grupp tror att järn inte bidrar med praktiskt taget ingenting, förutom för att främja aktiva webbplatser som helt består av kväve."

För att ta itu med kontroversen, Stanford-teamet anlitade forskare vid Oak Ridge National Laboratory för att utföra atomär skala avbildning och spektroskopianalys av nanorören. Resultaten visade tydligt, visuella bevis på järn- och kväveatomer i omedelbar närhet.

"För första gången, vi kunde avbilda enskilda atomer på denna typ av katalysator, " Sa Dai. "Alla bilderna visade järn och kväve nära varandra, vilket tyder på att de två elementen är sammanbundna. Den här typen av bildtagning är möjlig, eftersom grafenbitarna bara är en atoms tjocka."

Dai noterade att järnföroreningarna, vilket förbättrade den katalytiska aktiviteten, kom faktiskt från metallfrön som användes för att tillverka nanorören och som inte avsiktligt lades till av forskarna. Upptäckten av dessa oavsiktliga men ovärderliga järnbitar erbjöd forskarna en viktig läxa. "Vi lärde oss att metallföroreningar i nanorör inte får ignoreras, " sa Dai.