Com optimitzar amb nanomaterials els càtodes de piles de combustible

Els nanotubs de carboni dopats amb nitrogen o els nanoribbons de grafè modificat poden ser substitucions adequades al platí per a una reducció ràpida de l'oxigen, la reacció clau en les piles de combustible que transformen l'energia química en electricitat, segons investigadors de la Universitat de Rice.

Les troballes són de simulacions per computadora dels científics de la Universitat de Rice que es van proposar com es poden millorar els nanomaterials de carboni per als càtodes de piles de combustible. El seu estudi revela els mecanismes a nivell d'àtom mitjançant els quals els nanomaterials dopats catalitzen reaccions de reducció d'oxigen (ORR).

La investigació apareix a la revista Royal Society of Chemistry Nanoscale
El físic teòric Boris Yakobson i els seus col·legues de la Universitat de Rice, estan entre molts altres, a la recerca d'una forma d'accelerar l'ORR de les piles de combustible, que es van descobrir al segle XIX, però que no es van utilitzar fins a la darrera part del XX. Des de llavors han alimentat els modes de transport que van des d'automòbils i autobusos fins a naus espacials.
Els investigadors de Rice, incloent l'autor principal i l'antic associat postdoctoral Xiaolong Zou i l'estudiant de postgrau Luqing Wang, van utilitzar simulacions informàtiques per descobrir per què els nanoribbons de grafè i els nanotubs de carboni modificats amb nitrogen i / o bor, llargament estudiats com a substitut del caríssim platí, són tan lents i com es poden millorar.

El dopatge o modificació química, els nanotubs conductors o els nanoribbons canvien les seves característiques d'unió química. Poden ser utilitzats com a càtodes en piles de combustible de membrana d'intercanvi de protons. En una pila de combustible senzilla, els ànodes extreuen combustible d'hidrogen i el separen en protons i electrons. Mentre els electrons negatius es despleguen com a corrent utilitzable, els protons positius es dibuixen cap al càtode, on es recombinen amb els electrons i l'oxigen per produir aigua.
Els models van mostrar que els nanotubs de carboni més prims amb una concentració relativament alta de nitrogen funcionarien millor, ja que els àtoms d'oxigen es connecten fàcilment amb l'àtom de carboni més proper al nitrogen. Els nanotubs tenen un avantatge sobre els nanoribbons a causa de la seva curvatura, que distorsiona els enllaços químics al voltant de la seva circumferència i condueix a una unió més fàcil, segons van trobar els investigadors.

No és complicat fer un catalitzador que no sigui massa fort ni massa feble ja que es vincula amb l'oxigen. La corba del nanotub modifica l'energia vinculant dels nanotubs, segons els investigadors, que van determinar que els nanotubs ultratils amb un radi entre 7 i 10 angstroms serien ideals. (Un angstrom és una deu mil milions d'un metre, per a la comparació, un àtom típic té aproximadament 1 angstrom de diàmetre).

També van demostrar que els nanoribbons de grafè co-dopat amb nitrogen i el boró, milloren les capacitats d'absorció d'oxigen de les cintes amb vores en zig-zag. En aquest cas, l'oxigen troba una oportunitat de doble enllaç. En primer lloc, s'adhereixen directament als llocs dopats amb càrrega positiva. En segon lloc, estan dibuixats per àtoms de carboni amb càrrega d'espín elevada, que interactúa amb els orbitals electrònics polaritzats per spins d'oxigen. Tot i que l'efecte spin millora l'adsorció, l'energia d'enquadernació continua sent feble, a més d'aconseguir un equilibri que permeti un bon rendiment catalític.
Els investigadors van mostrar els mateixos principis catalítics, però amb menys efecte, per nanoribbons.

Font: Universitat de Rice