为了获得氧还原反应的最佳性能,应用不同的掺杂方式得到的不同碳材料。图中灰色是碳,粉红色是硼,蓝色是氮和白色是氢。

美国莱斯大学的科学家们正在探索一种方法:即如何通过优化阴极的纳米材料来提高燃料电池的成本效益,并说明了掺杂纳米材料催化氧还原反应(ORR)的原子级机制。氮掺杂碳纳米管(CNTs)或改性石墨烯纳米带可以成为铂在快速氧还原中的可行替代物,将化学能转化为电能,该过程是燃料电池的主要反应。

由于它们具有良好的导电性和机械性,因此高性能、设计性好的碳材料是氧还原反应的关键。正如研究人员Xiaolong Zou在“Materials Today”中所谈到的一样:“开发阴极氧还原反应中的高效催化剂对于质子交换膜燃料电池的大规模应用是至关重要的。”据Nanoscale杂志[Zou et. al. Nanoscale (2017) DOI: 10.1039/C7NR08061A]可知,通过使用计算机模拟,研究小组研究了为什么石墨烯纳米带和氮/硼掺杂的碳纳米管反应太慢,以及该如何改善的问题。

导电纳米管或掺杂的纳米带改变了它们化学键的特性,这有助于它们在质子交换膜燃料电池中用作阴极。在标准燃料电池中,阳极加入氢燃料,然后将其分离成质子和电子。当负电子流出成为可用电流时,质子被拉入阴极与电子和氧气再结合生成水。

据发现,由于掺杂剂之间的相互作用以及化学键的变形,氮掺杂多的超薄碳纳米管能够最有效地发挥作用。纳米管在这方面比纳米带好,因为它们的曲率,扭曲了化学键的边缘使其更容易结合。他们发现半径在7至10埃之间的超薄纳米管是最理想的。

开发阴极氧还原反应中的高效催化剂对于质子交换膜燃料电池的大规模应用是至关重要的。

还证明了具有丰富边缘,掺杂氮和硼的石墨烯纳米带显示了与吸收氧的纳米管相当的性能。在这里,氧气提供了形成双键的机会,因为它们可以直接连接到带正电荷的硼掺杂位点。正如Boris Yakobson所说:“虽然掺杂纳米管显示出良好的前景,但是在纳米带锯齿边缘取代氮可以暴露所谓的吡啶氮(其具有已知的催化活性),因此可能实现最佳性能。”

现在,该团队希望开发出新的方法来实时的研究纳米级电化学过程,以及更好地进行掺杂物与有缺陷的碳材料之间的相互作用以提高性能。