莱斯大学纳米催化剂取突破

据外国媒体报道：据赖斯大学的研究人员介绍，氮掺杂的碳纳米管或改性的石墨烯纳米带可能可以加强铂的氧还原催化性能，这一反应是燃料电池将化学能转化为电的关键反应。

这些发现来自赖斯科学家的计算机模拟，研究人员针对改善碳纳米材料的燃料电池阴极性能进行了模拟仿真。他们的研究揭示了掺杂纳米材料催化氧还原反应（ORR）的原子级机制。这项研究发表在英国皇家化学学会杂志Nanoscale上。

理论物理学家鲍里斯·雅各布森（Boris Yakobson）和他的同事们致力于寻找一种方法来加速燃料电池的ORR。ORR反应的概念在19世纪被提出，但直到20世纪后期才被广泛使用。从那以后，ORR反应的应用遍及从汽车，公共汽车到航天器等多种交通运输工具内。

莱斯大学的研究人员，包括主要作者、莱斯大学前博士后、副研究员Xiaolong Zou和研究生Luqing Wang通过计算机模拟的方式探究了氮和/或硼改性的石墨烯纳米带和碳纳米管作为铂催化剂的代替品的改进方式。

模型显示，具有相对高浓度氮的较薄碳纳米管将表现最好，因为氧原子容易键合到离氮最近的碳原子。研究人员发现，由于纳米管的曲率，纳米管与纳米带相比具有优势：碳纳米管扭曲了其周围的化学键，并使结合更容易。

但是问题在于，催化剂的活性不能太强也不能太弱，因为它不能被氧化。研究人员认为，纳米管的曲线提供了一种调整纳米管结合能的方法，他们确定半径在7到10埃之间的“超薄”纳米管在稳定性和活性方面都有一定的优点。（埃是一米的十亿分之一;相比之下，一个典型的原子直径约为1埃）

他们还展示了用氮和硼共掺杂石墨烯纳米带，这种结构增强了锯齿形边缘带的吸氧能力。在这种情况下，氧会获得两次形成化学键的机会。首先，它们直接连接到带正电的硼掺杂位置。其次，它们被高自旋电荷的碳原子所吸引，它与氧原子的自旋极化电子轨道相互作用。尽管旋转效应增强了吸附，但结合能仍然很弱，同时实现了良好催化性能的平衡。研究人员表示，相同的催化原理是成立的，但是对于具有扶手椅边缘的纳米带来说影响较小。