Met stikstof gedoteerde koolstofnanobuizen of gemodificeerde grafeen-nanoribbons kunnen geschikte vervangingen zijn voor platina voor snelle zuurstofreductie, de belangrijkste reactie in brandstofcellen die chemische energie omzetten in elektriciteit, volgens onderzoekers van Rice University.

De bevindingen zijn afkomstig van computersimulaties door Rice-wetenschappers die wilden zien hoe koolstofnanomaterialen kunnen worden verbeterd voor brandstofcelkathoden. Hun studie onthult de mechanismen op atoomniveau waarmee gedoteerde nanomaterialen zuurstofreductiereacties (ORR) katalyseren.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Royal Society of Chemistry nanoschaal .

Theoretisch fysicus Boris Yakobson en zijn Rice-collega's zijn onder velen die op zoek zijn naar een manier om ORR voor brandstofcellen te versnellen, die in de 19e eeuw werden ontdekt, maar pas in de tweede helft van de 20e op grote schaal werden gebruikt. Sindsdien hebben ze vervoerswijzen aangedreven, variërend van auto's en bussen tot ruimtevaartuigen.

De Rice-onderzoekers, waaronder hoofdauteur en voormalig postdoctoraal medewerker Xiaolong Zou en afgestudeerde student Luqing Wang, gebruikte computersimulaties om te ontdekken waarom grafeen nanoribbons en koolstof nanobuisjes gemodificeerd met stikstof en/of boor, lang bestudeerd als vervanging voor duur platina, zo traag zijn en hoe ze kunnen worden verbeterd.

Doping, of chemisch modificeren, geleidende nanobuisjes of nanolinten veranderen hun chemische bindingseigenschappen. Ze kunnen dan worden gebruikt als kathodes in brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan. In een eenvoudige brandstofcel anodes zuigen waterstofbrandstof aan en scheiden deze in protonen en elektronen. Terwijl de negatieve elektronen als bruikbare stroom naar buiten stromen, de positieve protonen worden naar de kathode getrokken, waar ze recombineren met terugkerende elektronen en zuurstof om water te produceren.

De modellen toonden aan dat dunnere koolstofnanobuisjes met een relatief hoge concentratie stikstof het beste zouden presteren, omdat zuurstofatomen zich gemakkelijk binden aan het koolstofatoom dat zich het dichtst bij stikstof bevindt. Nanobuisjes hebben een voordeel ten opzichte van nanolinten vanwege hun kromming, die chemische bindingen rond hun omtrek vervormt en leidt tot gemakkelijkere binding, vonden de onderzoekers.

Het lastige is om een ​​katalysator te maken die niet te sterk of te zwak is omdat hij zich aan zuurstof bindt. De curve van de nanobuisjes biedt een manier om de bindingsenergie van de nanobuisjes af te stemmen, volgens de onderzoekers die bepaalden dat "ultradunne" nanobuisjes met een straal tussen 7 en 10 angstrom ideaal zouden zijn. (Een angstrom is een tien miljardste van een meter; ter vergelijking:een typisch atoom is ongeveer 1 angstrom in diameter.)

Ze toonden ook aan dat co-doping grafeen nanoribbons met stikstof en boor het zuurstofabsorberende vermogen van linten met zigzagranden verbetert. In dit geval, zuurstof vindt een dubbele bindingsmogelijkheid. Eerst, ze hechten direct aan positief geladen met boor gedoteerde plaatsen. Tweede, ze worden aangetrokken door koolstofatomen met een hoge spinlading, die interageert met de spin-gepolariseerde elektronenorbitalen van de zuurstofatomen. Terwijl het spin-effect de adsorptie verbetert, de bindingsenergie blijft zwak, ook het bereiken van een balans die goede katalytische prestaties mogelijk maakt.

De onderzoekers toonden aan dat dezelfde katalytische principes waar waren, maar in mindere mate, voor nanolinten met fauteuilranden.

"Hoewel gedoteerde nanobuisjes veelbelovend zijn, de beste prestaties kunnen waarschijnlijk worden bereikt aan de zigzagranden van het nanoribbon waar stikstofsubstitutie de zogenaamde pyridinestikstof kan blootleggen, die bekende katalytische activiteit heeft, ' zei Yakobson.

"Indien gerangschikt in een schuimachtige configuratie, dergelijk materiaal kan de efficiëntie van platina benaderen, Wang zei. "Als prijs een overweging is, het zou zeker competitief zijn."