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赖斯大学研发团队优化纳米材料,可替代燃料电池阴极中的铂

发布日期:2018-01-09   来源:网络   作者:阿伟   浏览次数:450

美国赖斯大学(Rice University)研发人员研究发现,氮掺杂碳纳米管(nitrogen-doped carbon nanotubes)或改性石墨烯纳米带(modified graphene nanoribbons)可能是铂的合适替代品,用于快速氧还原,这是燃料电池将化学能转化为电能的关键反应。
赖斯大学科学家通过计算机模拟,着手研究如何改进燃料电池阴极的碳纳米材料。该论文发表在RSC期刊Nanoscale上,揭示了掺杂纳米材料催化氧还原反应( ORR)的原子水平机制。
 
掺杂或化学改性导电纳米管和纳米带可改变其化学键(chemical bonding)特性,用作质子交换膜燃料电池中的阴极。在简单的燃料电池中,阳极吸收氢燃料并将其分离成质子和电子。当负电子作为可用电流流出时,正质子被吸引到阴极,在那里再与电子和氧重新结合以产生水。
模型表明,具有较高的氮浓度的、且较薄的碳纳米管表现最佳,因为氧原子比较容易键合到最接近氮的碳原子上。研究人员发现,与纳米带相比,纳米管具有更大的优势,因为其曲率会扭曲其周围的化学键,从而结合起来更容易。
 
研究还发现,氮和硼共掺杂石墨烯纳米带增强了锯齿形边缘带的吸氧能力。此外,同样的催化原理适用于扶手椅形边缘的纳米带,但效果不太显著。
 
这项研究得到了 Robert Welch 基金会、陆军研究办公室、深圳市发展和改革委员会、中国青年千人计划和清华伯克利深圳学院的支持。

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