Meerwandige koolstofnanobuisjes vol met defecten en onzuiverheden aan de buitenkant kunnen enkele van de dure platinakatalysatoren vervangen die worden gebruikt in brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen, volgens wetenschappers van de Stanford University. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift op 27 mei Natuur Nanotechnologie .

"Platinum is erg duur en dus onpraktisch voor grootschalige commercialisering, " zei Hongjie Dai, een professor in de chemie aan Stanford en co-auteur van de studie. "Het ontwikkelen van een goedkoop alternatief is al tientallen jaren een belangrijk onderzoeksdoel."

In de afgelopen vijf jaar, de prijs van platina varieerde van net onder de $ 800 tot meer dan $ 2, 200 een ons. Een van de meest veelbelovende, goedkope alternatieven voor platina is de koolstofnanobuis - een opgerolde plaat van pure koolstof, genaamd grafeen, dat is één atoom dik en meer dan 10, 000 keer smaller een mensenhaar. Koolstofnanobuizen en grafeen zijn uitstekende geleiders van elektriciteit en relatief goedkoop om te produceren.

Voor de studie, het Stanford-team gebruikte meerwandige koolstofnanobuisjes bestaande uit twee of drie concentrische buizen die aan elkaar waren genest. De wetenschappers toonden aan dat het versnipperen van de buitenmuur, terwijl de binnenmuren intact blijven, verbetert de katalytische activiteit in nanobuisjes, maar interfereert niet met hun vermogen om elektriciteit te geleiden.

"Een typische koolstofnanobuis heeft weinig defecten, " zei Yanguang Li, een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford en hoofdauteur van de studie. "Maar defecten zijn eigenlijk belangrijk om de vorming van katalytische plaatsen te bevorderen en om de nanobuis zeer actief te maken voor katalytische reacties."

Uitgepakt

Voor de studie, Li en zijn collega's behandelden meerwandige nanobuisjes in een chemische oplossing. Microscopische analyse onthulde dat de behandeling ervoor zorgde dat de buitenste nanobuis gedeeltelijk werd opengeritst en grafeenstukken van nanoformaat vormden die aan de binnenste nanobuis bleven kleven. die grotendeels intact bleef.

"We ontdekten dat het toevoegen van een paar ijzer- en stikstofverontreinigingen de buitenwand zeer actief maakte voor katalytische reacties, " zei Dai. "Maar de binnenkant behield zijn integriteit, zorgen voor een pad voor elektronen om rond te bewegen. Je wilt dat de buitenkant erg actief is, maar u wilt toch een goede elektrische geleidbaarheid hebben. Als je een enkelwandige koolstofnanobuis zou gebruiken, zou je dit voordeel niet hebben, omdat de schade aan de muur de elektrische eigenschappen zou verslechteren."

In brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen, platinakatalysatoren spelen een cruciale rol bij het versnellen van de chemische reacties die waterstof en zuurstof in water omzetten. Maar de gedeeltelijk opengeritst, meerwandige nanobuisjes zouden net zo goed kunnen werken, voegde Li toe. "We ontdekten dat de katalytische activiteit van de nanobuisjes heel dicht bij platina ligt, " zei hij. "Deze hoge activiteit en de stabiliteit van het ontwerp maken ze veelbelovende kandidaten voor brandstofcellen."

De onderzoekers stuurden onlangs monsters van de experimentele nanobuiskatalysatoren naar brandstofcelexperts om te testen. "Ons doel is om een ​​brandstofcel te produceren met een zeer hoge energiedichtheid die heel lang meegaat, ' zei Li.

Meerwandige nanobuisjes kunnen ook worden toegepast in metaal-luchtbatterijen van lithium of zink.

"Lithium-luchtbatterijen zijn opwindend vanwege hun ultrahoge theoretische energiedichtheid, die meer dan 10 keer hoger is dan de beste lithium-iontechnologie van vandaag, Dai zei. "Maar een van de struikelblokken voor ontwikkeling was het ontbreken van een krachtige, goedkope katalysator. Koolstofnanobuisjes zouden een uitstekend alternatief kunnen zijn voor het platina, palladium en andere edelmetaalkatalysatoren die nu in gebruik zijn."

Controversiële sites

De Stanford-studie heeft mogelijk ook een al lang bestaande wetenschappelijke controverse over de chemische structuur van katalytische actieve plaatsen waar zuurstofreacties plaatsvinden, opgelost. "Een groep wetenschappers gelooft dat ijzerverontreinigingen op de actieve plaats gebonden zijn aan stikstof, " zei Li. "Een andere groep gelooft dat ijzer vrijwel niets bijdraagt, behalve om actieve sites te promoten die volledig van stikstof zijn gemaakt."

Om de controverse aan te pakken, het Stanford-team schakelde wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory in om beeldvorming op atomaire schaal en spectroscopie-analyse van de nanobuisjes uit te voeren. De resultaten toonden duidelijk, visueel bewijs van ijzer- en stikstofatomen in de directe nabijheid.

"Voor de eerste keer, we waren in staat om individuele atomen in beeld te brengen op dit soort katalysatoren, Dai zei. "Alle beelden toonden ijzer en stikstof dicht bij elkaar, wat suggereert dat de twee elementen met elkaar verbonden zijn. Dit soort beeldvorming is mogelijk, omdat de grafeenstukken slechts één atoom dik zijn."

Dai merkte op dat de ijzeronzuiverheden, die de katalytische activiteit versterkten, kwamen eigenlijk van metalen zaden die werden gebruikt om de nanobuisjes te maken en die niet opzettelijk door de wetenschappers waren toegevoegd. De ontdekking van deze toevallige maar onschatbare stukjes ijzer bood de onderzoekers een belangrijke les. "We hebben geleerd dat metaalverontreinigingen in nanobuisjes niet mogen worden genegeerd, ' zei Dai.