據(jù)萊斯大學(xué)的研究人員介紹，用于快速氧化還原的氮摻雜碳納米管或石墨烯納米帶改性可能是鉑的理想代替品。這是燃料電池的主要反應(yīng)，它能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

萊斯大學(xué)的科學(xué)家們進(jìn)行的模擬研究表明：如何優(yōu)化碳納米材料，以取代用于發(fā)電的燃料電池負(fù)極中昂貴的鉑。照片來源：Yakobson研究集團(tuán)

這個(gè)發(fā)現(xiàn)來自萊斯研究人員的計(jì)算機(jī)模擬，目的在于找出碳納米負(fù)極材料如何增強(qiáng)燃料電池的性能。他們的研究揭示了摻雜納米材料催化氧化還原反應(yīng)(ORR)的原子級別的機(jī)制。這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)雜志《Nanoscale》上。

理論物理學(xué)家BorisYakobson和他的萊斯的同事在許多方法之中尋求加速燃料電池ORR的途徑，而這種燃料電池在19世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)，直到20世紀(jì)后期才被廣泛使用。自那以后，它們就為各種各樣交通方式提供動(dòng)力，從汽車到航天器。

萊斯團(tuán)隊(duì)，包括了主要作者、前博士后鄒小龍和研究生王璐青，他們采用計(jì)算模擬來尋找為什么用氮或者硼改性的石墨烯納米帶和碳納米管(被認(rèn)為是貴金屬鉑的長期替代品)是如此的遲緩以及他們是怎么被轉(zhuǎn)化的。

摻雜或者化學(xué)改性，導(dǎo)電納米管或納米帶可以改變他們的化學(xué)鍵特征。然后它們可以用作質(zhì)子交換膜燃料電池中的負(fù)極。在簡單的燃料電池中，陽極吸入氫燃料然后被分成電子和質(zhì)子。當(dāng)負(fù)電子作為可用電流流出時(shí)，正質(zhì)子被吸引到陰極，它們在陰極與返回的電子和氧重新結(jié)合產(chǎn)生水。

模型顯示，有相對較高濃度氮?dú)狻⒍逸^薄的碳納米管的工作效果最好，因?yàn)檠踉尤菀着c靠近氮的碳原子結(jié)合。研究人員發(fā)現(xiàn)，由于納米管的曲率扭曲了周圍的化學(xué)鍵，使得納米管在納米帶上有一個(gè)加點(diǎn)，從而導(dǎo)致結(jié)合得更加容易。

這個(gè)復(fù)雜的點(diǎn)就是創(chuàng)造一種與氧氣結(jié)合的催化劑，它不會(huì)太強(qiáng)也不會(huì)太弱。據(jù)研究人員說，納米管曲線提供了這種調(diào)節(jié)納米管結(jié)合能的的方法，它們認(rèn)為半徑在7至10埃之間的“超薄納米管”是最好的。(1?=1×10-10m；作為比較，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的原子直徑大約為1?)

他們還證明，用氮和硼共同摻雜的石墨烯納米帶可以改善鋸齒狀邊緣帶的吸氧能力。在這種情況下，氧氣會(huì)進(jìn)行雙鍵結(jié)合。首先，它們直接連接到帶正電荷的硼摻雜位點(diǎn)，其次，它們被高自旋電荷的碳原子吸引，與氧原子的自旋極化電子軌道相互作用。當(dāng)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)提高了它的吸附性時(shí)，結(jié)合能就能微弱保持，并達(dá)到平衡，從而具有良好的催化性能。

研究人員證明，相同的催化原理是真實(shí)的，但是對于具有椅型邊緣的納米帶而言影響較小。Yakobson說：“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的氮?dú)庵脫Q會(huì)使所謂的吡啶型氮裸露(具有良好的催化活性)，從而得到它的最佳性能。”

王說：“如果以泡沫狀結(jié)構(gòu)排列，這種材料可以達(dá)到鉑的效果。如果考慮價(jià)格因素，那它會(huì)具有一定的競爭性。”

鄒先生目前是伯克利—清華深圳研究院的助理教授。Yakobson是材料科學(xué)和納米工程的KarlF.Hasselmann教授和化學(xué)教授。

RobertWelch基金會(huì)，陸軍研究辦公室室，深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)，中國青年和清華—伯克利深圳研究所都為這項(xiàng)研究提供了支持。