I nanotubi di carbonio a parete multipla pieni di difetti e impurità all'esterno potrebbero sostituire alcuni dei costosi catalizzatori al platino utilizzati nelle celle a combustibile e nelle batterie metallo-aria, secondo gli scienziati della Stanford University. I loro risultati sono pubblicati nell'edizione online del 27 maggio della rivista Nanotecnologia della natura .

"Il platino è molto costoso e quindi poco pratico per la commercializzazione su larga scala, " ha detto Hongjie Dai, professore di chimica a Stanford e coautore dello studio. "Lo sviluppo di un'alternativa a basso costo è stato un importante obiettivo di ricerca per diversi decenni".

Negli ultimi cinque anni, il prezzo del platino è variato da poco meno di $ 800 a più di $ 2, 200 l'oncia. Tra i più promettenti, un'alternativa a basso costo al platino è il nanotubo di carbonio, un foglio arrotolato di puro carbonio, chiamato grafene, è spesso un atomo e più di 10, 000 volte più stretto di un capello umano. I nanotubi di carbonio e il grafene sono ottimi conduttori di elettricità e relativamente economici da produrre.

Per lo studio, il team di Stanford ha utilizzato nanotubi di carbonio a parete multipla costituiti da due o tre tubi concentrici annidati insieme. Gli scienziati hanno dimostrato che distruggendo il muro esterno, pur lasciando intatte le pareti interne, migliora l'attività catalitica nei nanotubi, tuttavia non interferisce con la loro capacità di condurre l'elettricità.

"Un tipico nanotubo di carbonio ha pochi difetti, " disse Yanguang Li, un borsista post-dottorato a Stanford e autore principale dello studio. "Ma i difetti sono in realtà importanti per promuovere la formazione di siti catalitici e per rendere il nanotubo molto attivo per le reazioni catalitiche".

Decompresso

Per lo studio, Li e i suoi collaboratori hanno trattato i nanotubi a parete multipla in una soluzione chimica. L'analisi microscopica ha rivelato che il trattamento ha causato l'apertura parziale del nanotubo esterno e la formazione di pezzi di grafene di dimensioni nanometriche che si sono attaccati al nanotubo interno, che rimase per lo più intatto.

"Abbiamo scoperto che l'aggiunta di alcune impurità di ferro e azoto rendeva la parete esterna molto attiva per le reazioni catalitiche, "Dì ha detto. "Ma l'interno ha mantenuto la sua integrità, fornendo un percorso per il movimento degli elettroni. Vuoi che l'esterno sia molto attivo, ma vuoi comunque avere una buona conduttività elettrica. Se usassi un nanotubo di carbonio a parete singola non avresti questo vantaggio, perché il danno al muro degraderebbe la proprietà elettrica."

Nelle celle a combustibile e nelle batterie metallo-aria, i catalizzatori al platino svolgono un ruolo cruciale nell'accelerare le reazioni chimiche che convertono l'idrogeno e l'ossigeno in acqua. Ma il parzialmente decompresso, i nanotubi a parete multipla potrebbero funzionare altrettanto bene, Li ha aggiunto. "Abbiamo scoperto che l'attività catalitica dei nanotubi è molto vicina al platino, " ha detto. "Questa elevata attività e la stabilità del design li rendono candidati promettenti per le celle a combustibile".

I ricercatori hanno recentemente inviato campioni dei catalizzatori sperimentali di nanotubi a esperti di celle a combustibile per i test. "Il nostro obiettivo è produrre una cella a combustibile con una densità di energia molto elevata che possa durare molto a lungo, " disse Li.

I nanotubi a parete multipla potrebbero anche avere applicazioni in batterie metallo-aria fatte di litio o zinco.

"Le batterie al litio-aria sono entusiasmanti per la loro altissima densità di energia teorica, che è più di 10 volte superiore alla migliore tecnologia agli ioni di litio di oggi, " Dai ha detto. "Ma uno degli ostacoli allo sviluppo è stata la mancanza di un ad alte prestazioni, catalizzatore a basso costo. I nanotubi di carbonio potrebbero essere un'ottima alternativa al platino, palladio e altri catalizzatori di metalli preziosi ora in uso."

Siti controversi

Lo studio di Stanford potrebbe anche aver risolto una controversia scientifica di vecchia data sulla struttura chimica dei siti attivi catalitici in cui si verificano le reazioni dell'ossigeno. "Un gruppo di scienziati ritiene che le impurità di ferro siano legate all'azoto nel sito attivo, " ha detto Li. "Un altro gruppo crede che il ferro non contribuisca praticamente a nulla, tranne per promuovere siti attivi fatti interamente di azoto."

Per affrontare la controversia, il team di Stanford ha arruolato scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory per condurre analisi di imaging e spettroscopia su scala atomica dei nanotubi. I risultati hanno mostrato chiaramente, evidenza visiva di atomi di ferro e azoto nelle immediate vicinanze.

"Per la prima volta, siamo stati in grado di immaginare singoli atomi su questo tipo di catalizzatore, "Dai ha detto. "Tutte le immagini hanno mostrato ferro e azoto vicini tra loro, suggerendo che i due elementi sono legati. Questo tipo di imaging è possibile, perché i pezzi di grafene sono spessi solo un atomo."

Dai ha notato che le impurità di ferro, che ha potenziato l'attività catalitica, in realtà provenivano da semi di metallo che sono stati utilizzati per realizzare i nanotubi e non sono stati aggiunti intenzionalmente dagli scienziati. La scoperta di questi pezzi di ferro accidentali ma inestimabili ha offerto ai ricercatori un'importante lezione. "Abbiamo imparato che le impurità metalliche nei nanotubi non devono essere ignorate, "Dì disse.