Kväve-dopade kolnanorör eller modifierade grafen-nanoribb kan vara lämpliga ersättare för platina för snabb syrereduktion, nyckelreaktionen i bränsleceller som omvandlar kemisk energi till elektricitet, enligt Rice University forskare.

Fynden är från datorsimuleringar av Rice-forskare som försökte se hur kolnanomaterial kan förbättras för bränslecellskatoder. Deras studie avslöjar mekanismerna på atomnivå genom vilka dopade nanomaterial katalyserar syrereduktionsreaktioner (ORR).

Forskningen visas i tidskriften Royal Society of Chemistry Nanoskala .

Teoretisk fysiker Boris Yakobson och hans Rice -kollegor är bland många som letar efter ett sätt att påskynda ORR för bränsleceller, som upptäcktes på 1800 -talet men inte används i stor utsträckning förrän senare delen av 1900 -talet. De har sedan dess drivit transportsätt som sträcker sig från bilar och bussar till rymdfarkoster.

Risforskarna, inklusive huvudförfattare och tidigare postdoktor Xiaolong Zou och doktorand Luqing Wang, använde datorsimuleringar för att upptäcka varför grafen nanorband och kolnanorör modifierats med kväve och/eller bor, länge studerat som ett substitut för dyr platina, är så tröga och hur de kan förbättras.

Doping, eller kemiskt modifierande, ledande nanorör eller nanorband ändrar deras kemiska bindningsegenskaper. De kan sedan användas som katoder i protonutbytesmembranbränsleceller. I en enkel bränslecell, anoder drar in vätebränsle och separerar det i protoner och elektroner. Medan de negativa elektronerna flyter ut som användbar ström, de positiva protonerna dras till katoden, där de rekombinerar med återkommande elektroner och syre för att producera vatten.

Modellerna visade att tunnare kolnanorör med en relativt hög koncentration av kväve skulle fungera bäst, eftersom syreatomer lätt binder till kolatomen närmast kvävet. Nanorör har en fördel jämfört med nanorband på grund av deras krökning, som förvränger kemiska bindningar runt deras omkrets och leder till lättare bindning, fann forskarna.

Det knepiga är att göra en katalysator som varken är för stark eller för svag eftersom den binder till syre. Nanorörets kurva ger ett sätt att ställa in nanorörens bindningsenergi, enligt forskarna, som bestämde att "ultrathina" nanorör med en radie mellan 7 och 10 ångström skulle vara idealiskt. (En ångström är en tiomiljarddels meter; som jämförelse, en typisk atom är cirka 1 ångström i diameter.)

De visade också att samdopande grafen-nanoband med kväve och bor förbättrar den syreabsorberande förmågan hos band med sicksackkanter. I detta fall, syre finner en dubbelbindningsmöjlighet. Först, de fäster direkt på positivt laddade bor-dopade platser. Andra, de dras av kolatomer med hög spinnladdning, som interagerar med syreatomernas spinnpolariserade elektronorbitaler. Medan spin-effekten förbättrar adsorptionen, bindningsenergin förblir svag, även uppnå en balans som möjliggör god katalytisk prestanda.

Forskarna visade att samma katalytiska principer gällde, men till mindre effekt, för nanorband med fåtöljkanter.

"Medan dopade nanorör lovar gott, den bästa prestandan kan troligen uppnås vid nanobandets sicksackkanter där kvävesubstitution kan exponera det så kallade pyridiniska kvävet, som har känd katalytisk aktivitet, " sa Yakobson.

"Om den är arrangerad i en skumliknande konfiguration, sådant material kan närma sig platinas effektivitet, " sa Wang. "Om priset är en övervägande, det skulle definitivt vara konkurrenskraftigt."