Частично разрушенные углеродные нанотрубки могут снабжать энергией топливные элементы и батарейки

Ученые из Стэнфордского университета уверены, что многостенные углеродные нанотрубки, имеющие на внешней поверхности дефекты и примеси, могут заменить некоторые дорогостоящие платиновые катализаторы, используемые в топливных элементах и металл-воздушных батареях. Результаты их исследования опубликованы в онлайн-издании журнала «NatureNanotechnology» от 27 мая.

«Платина - очень дорогостоящий материал, поэтому его непрактично использовать в промышленных масштабах», - утверждает Хунцзи Даи, профессор химии в Стэнфорде и соавтор исследования. - На протяжении нескольких десятилетий основной целью многочисленных исследований был поиск дешевой альтернативы платине».

За последние пять лет цены на платину колебались от  $800 до более чем $2200 за унцию. Одной из наиболее многообещающих и недорогостоящих альтернатив платине является углеродная нанотрубка -  скрученный лист чистого углерода, называемый графеном, толщиной в один атом и более чем в 10 000 раз тоньше человеческого волоса.

Углеродные нанотрубки и графен прекрасно проводят электричество и относительно незатратны для массового производства.

В исследовании команда ученых из Стэнфорда использовала многостенные углеродные нанотрубки, состоящие из двух или трех концентрических трубок, вложенных одна в другую. Исследование показало, что нанесение повреждений на внешнюю поверхность трубки - в то время как внутренняя оставалась нетронутой - увеличивает каталитическую активность в нанотрубках и в то же время никак не влияет на способность проводить электричество.

«Обычно углеродная нанотрубка имеет мало дефектов, - рассказал Янцюань Ли, научный сотрудник в Стэнфорде и ведущий автор исследования.  - На самом деле дефекты очень важны: они стимулируют формирование каталитических участков и повышают активность нанотрубки в каталитических реакциях».

Разрушенные трубки

Во время исследования Ли и его коллеги обрабатывали многостенные углеродные нанотрубки химическим раствором. Микроскопический анализ показал, что в результате обработки внешняя нанотрубка частично распалась и образовались наноразмерные графеновые пластинки, которые прилипли к внутренней нанотрубке, практически не поврежденной.

«Мы обнаружили, что при добавлении небольшого количества примеси железа и азота внешняя поверхность трубки становилась чрезвычайно активной в каталитических реакциях», - пояснил Даи. - Но внутренняя оставалась цельной, что позволяло электронам  свободно передвигаться. Нужно, чтобы внешняя сторона была очень активной, но в то же время необходима хорошая электропроводность. При использовании одностенной углеродной нанотрубки такого эффекта бы не наблюдалось, поскольку повреждение стенки повлекло бы ухудшение электрических свойств».

В топливных элементах и металл-воздушных батареях платиновые катализаторы играют ключевую роль в ускорении химических реакций, превращающих водород и кислород в воду. По мнению Ли, частично разрушенные многостенные нанотрубки могут справиться с этой задачей ничуть не хуже платины.

«Мы обнаружили, что по каталитической активности нанотрубки близки к платине», - заявил он. «Высокая активность и стабильность структуры дают им шансы на использование в топливных элементах».

Недавно ученые отослали образцы экспериментальных катализаторов, включающих в себя нанотрубки, экспертам по топливным элементам для тестирования. «Нашей целью является производство топливных элементов с очень высокой плотностью энергии и к тому же долговечных», – заявил Ли.

Многостенные нанотрубки могут также найти применение в металл-воздушных батареях, изготовленных из лития или цинка.

«Литиево-воздушные батареи в лабораторных условиях необычайно эффективны в силу чрезвычайно высокой теоретической плотности энергии, которая в 10 раз выше, чем в лучшей на сегодняшний день литиево-ионной технологии», - заметил Даи. - Но одним из препятствий на пути их практического применения является отсутствие высокоэффективного и недорогостоящего катализатора. Углеродные нанотрубки могут стать прекрасной альтернативой платине, палладию и другим используемым сейчас катализаторам из драгоценных металлов».

Спорные моменты

Исследование, проведенное в Стэнфорде, возможно, разрешило давний спор ученых о химической структуре каталитически активных участков, где происходят реакции кислорода. «Одна группа ученых считает, что примеси железа связываются с азотом на активном участке», - объяснил Ли. - Другая группа уверена, что железо практически ничего не меняет, кроме того, что активизирует участки, полностью состоящие из азота».

Чтобы разрешить разногласия, ученые из Стэнфорда попросили ученых из Окриджской национальной лаборатории провести спектроскопический анализ и построить изображение нанотрубок в атомных масштабах. Результаты показали, что атомы железа и азота расположены близко друг к другу.

«Впервые мы смогли получить изображение отдельных атомов на катализаторе подобного рода», - поясняет Ли. «На всех изображениях атомы железа и азота близко расположены, что дает основания предполагать, что они связаны. Построение таких изображений возможно потому, что графеновые пластинки имеют всего лишь один атом в толщину».

Даи отметил, что примеси железа, усиливающие каталитическую активность, не были изначально добавлены учеными, а попали в нанотрубки благодаря металлическим частицам, использованным для их производства.

Эти случайные, но такие ценные металлические частицы преподали ученым хороший урок. «Теперь мы знаем, что нельзя игнорировать примеси железа в нанотрубках», - признал Даи.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

 http://www.energy-daily.com/reports/Unzipped_carbon_nanotubes_could_help_energize_fuel_cells_and_batteries_999.html