美國(guó)萊斯大學(xué)的科學(xué)家們正在探索一種方法：即如何通過(guò)優(yōu)化陰極的納米材料來(lái)提高燃料電池的成本效益，并說(shuō)明了摻雜納米材料催化氧還原反應(yīng)(ORR)的原子級(jí)機(jī)制。氮摻雜碳納米管(CNTs)或改性石墨烯納米帶可以成為鉑在快速氧還原中的可行替代物，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，該過(guò)程是燃料電池的主要反應(yīng)。

為了獲得氧還原反應(yīng)的最佳性能，應(yīng)用不同的摻雜方式得到的不同碳材料。圖中灰色是碳，粉紅色是硼，藍(lán)色是氮和白色是氫。

由于它們具有良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性，因此高性能、設(shè)計(jì)性好的碳材料是氧還原反應(yīng)的關(guān)鍵。正如研究人員Xiaolong Zou在“Materials Today”中所談到的一樣：“開發(fā)陰極氧還原反應(yīng)中的高效催化劑對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用是至關(guān)重要的。”據(jù)Nanoscale雜志[Zou et. al. Nanoscale (2017) DOI: 10.1039/C7NR08061A]可知，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)模擬，研究小組研究了為什么石墨烯納米帶和氮/硼摻雜的碳納米管反應(yīng)太慢，以及該如何改善的問(wèn)題。

導(dǎo)電納米管或摻雜的納米帶改變了它們化學(xué)鍵的特性，這有助于它們?cè)谫|(zhì)子交換膜燃料電池中用作陰極。在標(biāo)準(zhǔn)燃料電池中，陽(yáng)極加入氫燃料，然后將其分離成質(zhì)子和電子。當(dāng)負(fù)電子流出成為可用電流時(shí)，質(zhì)子被拉入陰極與電子和氧氣再結(jié)合生成水。

據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于摻雜劑之間的相互作用以及化學(xué)鍵的變形，氮摻雜多的超薄碳納米管能夠最有效地發(fā)揮作用。納米管在這方面比納米帶好，因?yàn)樗鼈兊那?，扭曲了化學(xué)鍵的邊緣使其更容易結(jié)合。他們發(fā)現(xiàn)半徑在7至10埃之間的超薄納米管是最理想的。

開發(fā)陰極氧還原反應(yīng)中的高效催化劑對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用是至關(guān)重要的。——Xiaolong Zou

還證明了具有豐富邊緣，摻雜氮和硼的石墨烯納米帶顯示了與吸收氧的納米管相當(dāng)?shù)男阅堋Ｔ谶@里，氧氣提供了形成雙鍵的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯舆B接到帶正電荷的硼摻雜位點(diǎn)。正如Boris Yakobson所說(shuō)：“雖然摻雜納米管顯示出良好的前景，但是在納米帶鋸齒邊緣取代氮可以暴露所謂的吡啶氮(其具有已知的催化活性)，因此可能實(shí)現(xiàn)最佳性能。”

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)希望開發(fā)出新的方法來(lái)實(shí)時(shí)的研究納米級(jí)電化學(xué)過(guò)程，以及更好地進(jìn)行摻雜物與有缺陷的碳材料之間的相互作用以提高性能。

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