据莱斯大学的研究人员介绍，用于快速氧化还原的氮掺杂碳纳米管或石墨烯纳米带改性可能是铂的理想代替品。这是燃料电池的主要反应，它能将化学能转化为电能。

莱斯大学的科学家们进行的模拟研究表明：如何优化碳纳米材料，以取代用于发电的燃料电池负极中昂贵的铂。照片来源：Yakobson研究集团

这个发现来自莱斯研究人员的计算机模拟，目的在于找出碳纳米负极材料如何增强燃料电池的性能。他们的研究揭示了掺杂纳米材料催化氧化还原反应(ORR)的原子级别的机制。这项研究已经发表在英国皇家化学学会杂志《Nanoscale》上。

理论物理学家Boris Yakobson和他的莱斯的同事在许多方法之中寻求加速燃料电池ORR的途径，而这种燃料电池在19世纪被发现，直到20世纪后期才被广泛使用。自那以后，它们就为各种各样交通方式提供动力，从汽车到航天器。

莱斯团队，包括了主要作者、前博士后邹小龙和研究生王璐青，他们采用计算模拟来寻找为什么用氮或者硼改性的石墨烯纳米带和碳纳米管(被认为是贵金属铂的长期替代品)是如此的迟缓以及他们是怎么被转化的。

掺杂或者化学改性，导电纳米管或纳米带可以改变他们的化学键特征。然后它们可以用作质子交换膜燃料电池中的负极。在简单的燃料电池中，阳极吸入氢燃料然后被分成电子和质子。当负电子作为可用电流流出时，正质子被吸引到阴极，它们在阴极与返回的电子和氧重新结合产生水。

模型显示，有相对较高浓度氮气、而且较薄的碳纳米管的工作效果好，因为氧原子容易与靠近氮的碳原子结合。研究人员发现，由于纳米管的曲率扭曲了周围的化学键，使得纳米管在纳米带上有一个加点，从而导致结合得更加容易。

这个复杂的点就是创造一种与氧气结合的催化剂，它不会太强也不会太弱。据研究人员说，纳米管曲线提供了这种调节纳米管结合能的的方法，它们认为半径在7至10埃之间的“超薄纳米管”是好的。(1 Å=1×10-10m；作为比较，一个标准的原子直径大约为1 Å)

他们还证明，用氮和硼共同掺杂的石墨烯纳米带可以改善锯齿状边缘带的吸氧能力。在这种情况下，氧气会进行双键结合。首先，它们直接连接到带正电荷的硼掺杂位点，其次，它们被高自旋电荷的碳原子吸引，与氧原子的自旋极化电子轨道相互作用。当旋转效应提高了它的吸附性时，结合能就能微弱保持，并达到平衡，从而具有良好的催化性能。

研究人员证明，相同的催化原理是真实的，但是对于具有椅型边缘的纳米带而言影响较小。Yakobson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的氮气置换会使所谓的吡啶型氮裸露(具有良好的催化活性)，从而得到它的佳性能。”

王说：“如果以泡沫状结构排列，这种材料可以达到铂的效果。如果考虑价格因素，那它会具有一定的竞争性。”

邹先生目前是伯克利—清华深圳研究院的助理教授。Yakobson是材料科学和纳米工程的Karl F. Hasselmann教授和化学教授。

Robert Welch基金会，陆军研究办公室室，深圳市发展和改革委员会，中国青年千人计划和清华—伯克利深圳研究所都为这项研究提供了支持。

原文来自azom，原文题目为Researchers Show How to Enhance Nanomaterials for Fuel-Cell Cathodes，由材料科技在线汇总整理。