I nanotubi di carbonio drogati con azoto o i nanonastri di grafene modificati possono essere sostituti adatti del platino per una rapida riduzione dell'ossigeno, la reazione chiave nelle celle a combustibile che trasformano l'energia chimica in elettricità, secondo i ricercatori della Rice University.

I risultati provengono dalle simulazioni al computer degli scienziati della Rice che hanno cercato di vedere come i nanomateriali di carbonio possono essere migliorati per i catodi delle celle a combustibile. Il loro studio rivela i meccanismi a livello di atomo con cui i nanomateriali drogati catalizzano le reazioni di riduzione dell'ossigeno (ORR).

La ricerca appare sulla rivista Royal Society of Chemistry Nanoscala .

Il fisico teorico Boris Yakobson e i suoi colleghi della Rice sono tra i tanti alla ricerca di un modo per accelerare l'ORR per le celle a combustibile, che furono scoperti nel XIX secolo ma non ampiamente utilizzati fino alla seconda metà del XX. Da allora hanno alimentato modalità di trasporto che vanno da automobili e autobus a veicoli spaziali.

I ricercatori del riso, tra cui l'autore principale ed ex associato post-dottorato Xiaolong Zou e lo studente laureato Luqing Wang, utilizzato simulazioni al computer per scoprire perché i nanonastri di grafene e i nanotubi di carbonio modificati con azoto e/o boro, a lungo studiato come sostituto del costoso platino, sono così lenti e come possono essere migliorati.

Doping, o modificando chimicamente, nanotubi o nanonastri conduttivi modificano le loro caratteristiche di legame chimico. Possono quindi essere utilizzati come catodi nelle celle a combustibile con membrana a scambio protonico. In una semplice cella a combustibile, gli anodi assorbono il combustibile idrogeno e lo separano in protoni ed elettroni. Mentre gli elettroni negativi fuoriescono come corrente utilizzabile, i protoni positivi sono attratti dal catodo, dove si ricombinano con gli elettroni di ritorno e l'ossigeno per produrre acqua.

I modelli hanno mostrato che i nanotubi di carbonio più sottili con una concentrazione di azoto relativamente alta avrebbero prestazioni migliori, poiché gli atomi di ossigeno si legano facilmente all'atomo di carbonio più vicino all'azoto. I nanotubi hanno un vantaggio rispetto ai nanonastri a causa della loro curvatura, che distorce i legami chimici attorno alla loro circonferenza e porta a un legame più facile, i ricercatori hanno scoperto.

La parte difficile è creare un catalizzatore che non sia né troppo forte né troppo debole poiché si lega all'ossigeno. La curva del nanotubo fornisce un modo per regolare l'energia di legame dei nanotubi, secondo i ricercatori, che ha determinato che i nanotubi "ultrasottili" con un raggio compreso tra 7 e 10 angstrom sarebbero stati l'ideale. (Un angstrom è un decimiliardesimo di metro; per confronto, un atomo tipico ha un diametro di circa 1 angstrom.)

Hanno anche dimostrato che il co-drogaggio di nanonastri di grafene con azoto e boro migliora le capacità di assorbimento dell'ossigeno dei nastri con bordi a zigzag. In questo caso, l'ossigeno trova un'opportunità di doppio legame. Primo, si attaccano direttamente a siti drogati con boro carichi positivamente. Secondo, sono attratti da atomi di carbonio con alta carica di spin, che interagisce con gli orbitali elettronici spin polarizzati degli atomi di ossigeno. Mentre l'effetto di rotazione migliora l'adsorbimento, l'energia di legame rimane debole, ottenendo anche un equilibrio che consente buone prestazioni catalitiche.

I ricercatori hanno mostrato che gli stessi principi catalitici erano validi, ma con un effetto minore, per nanonastri con bordi a poltrona.

"Mentre i nanotubi drogati mostrano buone promesse, le migliori prestazioni possono probabilmente essere ottenute ai bordi a zigzag del nanonastro dove la sostituzione dell'azoto può esporre il cosiddetto azoto piridinico, che ha conosciuto attività catalitica, "Ha detto Yakobson.

"Se disposti in una configurazione simile a schiuma, tale materiale può avvicinarsi all'efficienza del platino, " Wang ha detto. "Se il prezzo è una considerazione, sarebbe sicuramente competitivo".