Narušené uhlíkové nanorúrky môžu pomôcť vybudovať lepšie batérie a palivové články

Anonim

Narušené uhlíkové nanorúrky môžu pomôcť vybudovať lepšie batérie a palivové články

veda

Dario Borghino

1. júna 2012

3 obrázky

Tento obrázok znázorňuje dvojitú stenu uhlíkových nanotrubičiek. Každá skúmavka je vyrobená z valcovaného listu uhlíka, ktorý má jednu atómovú hrúbku (obrázok: Guosong Hong / Stanfordská univerzita)

Stanfordskí vedci zistili, že koncentrické uhlíkové nanotrubičky, s vonkajšou vrstvou prepadnutou defektmi a nečistotami, by mohli byť lacnou alternatívou niektorých platinových katalyzátorov, ktoré premieňajú vodík a kyslík na vodu v palivových článkoch a kovových vzduchových batériách.

Nanotuby sú vyrobené z grafenu, jedného kusu hrubého valcovaného listu uhlíka. Veľké štrukturálne chyby na vonkajšej strane nanotrubice zvyšujú druh katalytických reakcií, ktoré sú životne dôležité pre batérie a palivové články. Ale ak je poškodená vnútorná strana nanotrubice, jej vodivosť klesá nekontrolovateľne a degraduje výkon. Poškodenie vonkajšej strany chudobnej štruktúry s jedným atómom, ktoré zostalo neporušené, sa však zdalo byť takmer nemožným výkonom.

Stanfordský tím vyriešil túto dilemu stavebnými konštrukciami z dvoch až troch koncentrických nanotrubičiek. Liečba viacvrstvových nanotrubičiek v chemickom roztoku poškodila vonkajšiu rúrku, čím zvýšila počet defektov a nečistôt na vonkajšej strane, ale nechala ich vnútro neporušená.

Pôvodne tím plánoval otestovať účinok samotných dusíkatých nečistôt. Ale čistou mozgkou šťastia boli do zmesi pridané stopy železa, rastlinné semená používané na výrobu uhlíkových nanotrubičiek. Keď sa nečistoty (0, 24% železa a 5, 3% dusíka) chemicky odstránili, celkový výkon klesol, čo naznačuje, že nečistoty skutočne zohrávajú v štruktúre dôležitú úlohu.

V skutočnosti výskumníci zistili, že výkonnosť ich nanotrubiek je veľmi blízko platiny a tvrdia, že vysoká stabilita dizajnu ich robí dokonalým kandidátom na palivové články a kovové vzduchové batérie - najmä na lítium-vzduch.

"Lítium-vzduchové batérie sú vzrušujúce kvôli ich ultra vysokej teoretickej hustote energie, ktorá je viac ako desaťkrát vyššia než dnes najlepšie lítium-iónové technológie, " povedal profesor Hongjie Dai, spoluautor štúdie. "Jedným z problémov pre rozvoj bol nedostatok vysokovýkonného nízkorozpočtového katalyzátora." Uhlíkové nanotrubičky by mohli byť vynikajúcou alternatívou k platinovým, paládiovým a iným katalyzátorom na výrobu drahých kovov, ktoré sa teraz používajú.

Zistenia boli uverejnené v online knižnom vydaní časopisu Nature Nanotechnology .

Zdroj: Stanfordská univerzita

Tento obrázok znázorňuje dvojitú stenu uhlíkových nanotrubičiek. Každá skúmavka je vyrobená z valcovaného listu uhlíka, ktorý má jednu atómovú hrúbku (obrázok: Guosong Hong / Stanfordská univerzita)

Tento obraz mikroskopie zobrazuje poškodené vonkajšie steny dvojitých a trojitých uhlíkových nanotrubičiek (CNT) po spracovaní v chemickom roztoku. Táto technika by mohla pomôcť, aby sa uhlíkové nanotrubičky stali atraktívnou alternatívou lacných platinových katalyzátorov v palivových článkoch (obrázok: Hongjie Dai Lab / Stanfordská univerzita)

Poškodená vonkajšia stena uhlíkovej nanotrubice s nanofibrovanými grafénovými časťami (bielymi náplasťami), ktoré uľahčujú tvorbu katalytických miest z atómov železa (žltého) a dusíka (červená). Katalyzátor znižuje obsah kyslíka na vodu (obrázok: Guosong Hong / Stanfordská univerzita)