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研究人员优化燃料电池阴极的纳米材料

时间：2022-01-26 08:25:13 来源：

赖斯大学科学家的模拟展示了如何优化碳纳米材料，以更换用于输送和其他应用的电力产生燃料电池的阴极中的昂贵的铂金。

稻米大学的新研究表明，氮掺杂的碳纳米管或改性石墨烯纳米纤维可能是铂铂的合适替代品，用于快速氧还原，燃料电池的关键反应将化学能转化为电力。

该研究结果来自大米科学家的计算机模拟，他们开始了解如何改进燃料电池阴极的碳纳米材料。他们的研究揭示了掺杂纳米材料催化氧还原反应（ORR）的原子水平机制。

该研究出现在纳米尺度的皇家化学杂志社会中。

理论物理学家Boris Yakobson和他的稻米同事是许多人寻找加速燃料电池的燃料，这些方法在19世纪被发现，但在20日后期没有广泛使用。他们拥有动力运输模式，从汽车和公共汽车到航天器。

米饭研究人员，包括领先作者和前博士后致龙邹和研究生鲁清王，使用计算机模拟，以了解为什么石墨烯纳米波纹和碳纳米管用氮气和/或硼改性，长期以来为昂贵的铂金而替代，是如此缓慢以及如何改善。

掺杂，或化学改性，导电纳米管或纳米纤维和纳米波动改变它们的化学粘合特性。然后可以用作质子交换膜燃料电池中的阴极。在简单的燃料电池中，阳极在氢燃料中汲取并将其分成质子和电子。虽然负电子流出作为可用电流，但是阳性质子被吸入阴极，在那里它们重新结合回返回电子和氧气以产生水。

该模型表明，具有相对高浓度的氮的较薄的碳纳米管是最佳的，因为氧原子易于最靠近氮的碳原子结合。研究人员发现，纳米管由于它们的曲率而在纳米波纹上具有优于纳米的优点，这扭曲了它们的圆周周围的化学键，并导致更容易结合。

棘手的位使催化剂既不与氧气粘合也不太强也不太弱。纳米管的曲线提供了根据研究人员调整纳米管的结合能量的方法，他确定了半径在7到10埃之间的半径的“超薄”纳米管是理想的。（Angstrom是仪表的十亿吨;相比之下，典型的原子直径约为1埃。）

它们还展示了具有氮气和硼的共掺杂石墨烯纳米，并通过锯齿形边缘增强氧气的吸氧能力。在这种情况下，氧气找到了双键机会。首先，它们直接连接到带正电荷的硼掺杂地点。其次，它们由具有高旋转电荷的碳原子引起的，其与氧原子的旋转偏振电子轨道相互作用。虽然旋转效果增强吸附，但结合能量仍然弱，也达到了允许良好催化性能的平衡。

研究人员表现出相同的催化原理，但对扶手椅边缘的纳米杆效应较低。

“在掺杂的纳米管展示良好的承诺的同时，可能在纳米纹曲折边缘中实现最佳性能，其中氮置换可以暴露具有已知催化活性的所谓的吡啶氮，”Yakobson表示。

“如果以泡沫状配置排列，这种材料可以接近铂的效率，”王说。“如果价格是考虑，那么它肯定会有竞争力。”

出版物：Xiaolong Zou等，“氧化碳纳米材料上的”氧还原反应的机制，具有曲率和边缘效应“，纳米载体，2018; DOI：10.1039 / C7NR08061A

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