Nanomateriaaleja polttokennojen katodeille

Rice University-tutkijoiden mukaan typpipitoiset hiilinanoputket tai modifioidut grafeenin nanonauhat voivat olla sopivia korvaajia platinalle nopeaan hapen pelkistämiseen polttokennoissa.

Teoreettinen fyysikko Boris Yakobson ja hänen kollegansa etsivät tapaa nopeuttaa hapen pelkistysreaktiota (ORR) polttokennoissa. Tietokonesimulaatioilla tutkijat selvittivät, miksi grafeenin nanonauhat ja typpi- ja/tai boori-modifioidut hiilinanoputket, joita on pitkään tutkittu korvaamaan kallista platinaa, ovat niin verkkaisia ja miten niitä voitaisiin tehostaa.

Mallinnus osoitti, että ohuempi hiilinanoputki, jolla oli suhteellisen korkea typpipitoisuus, toimisi parhaiten, koska happiatomit sitoutuvat helposti lähinnä typpeä olevaan hiiliatomiin. Nanoputkin etuna nanonauhoihin on niiden kaarevuus, joka vääntää kemiallisia sidoksia niiden ympärille ja johtaa helpompiin sitoutumisiin, tutkijat havaitsivat.

Nanoputken kaarevuus mahdollistaa tavan virittää nanoputkien sitoutumisenergiaa. Tutkijat päättelivät, että "ultraohuet" nanoputket, joiden säde oli 7-10 angstromia, olisivat ihanteellisia.

He osoittivat myös oheisseostuksen grafeenin nanonauhoille typellä ja boorilla parantavan siksak-reunaisten nauhojen happea absorboivia kykyjä. Tässä tapauksessa happi löytää tilaisuuden kaksinkertaiseen sidokseen. Ensin ne kiinnittyvät suoraan positiivisesti varautuneisiin booripitoisiin kohtiin. Toiseksi happea ja hiiliatomeja vetävät puoleensa erilaiset spinvaikutukset samalla kun ne tehostavat adsorptiota.

Tutkijat osoittivat samojen katalyyttisien periaatteiden toimivan myös nanorakenteisiin, joissa oli nojatuolimaisia reunoja mutta heikommin.

"Vaikka seostetut nanoputket osoittavat hyvää lupausta, paras suorituskyky voidaan todennäköisesti saavuttaa nanonauhojen siksak-reunoilla, joissa typpisubstituutio voi altistaa ns. pyridiinistä typpeä, joka tunnetaan katalyyttisestä aktiivisuudesta"

"Jos se on järjestetty vaahtomaiseen kokoonpanoon, tällainen materiaali voi lähestyä platinan tehokkuutta. Ja hinnan suhteen se olisi varmasti kilpailukykyinen." toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.