鉅大LARGE | 點擊量:476次 | 2021年09月13日
剝開碳納米管 可改進燃料動力電池與鋰空氣電池
多壁碳納米管外壁布滿缺陷和雜質(zhì),可取代一些昂貴的鉑催化劑,用于燃料動力鋰電池和金屬空氣電池,這是根據(jù)斯坦福大學(xué)(StanfordUniversity)的科學(xué)家所說。他們的研究結(jié)果發(fā)表在五月二十七日網(wǎng)絡(luò)版的《自然納米技術(shù)》雜志上,題為《氧還原電催化劑采用碳納米管-石墨烯復(fù)合物》(Anoxygenreductionelectrocatalystbasedoncarbonnanotube–graphenecomplexes)。
此圖顯示,受損壞的碳納米管壁具有納米尺度的石墨烯片(白斑),有利于形成催化位點,這要用鐵(黃色)和氮原子(紅色)制成。這種催化劑可把氧還有為水。來源:斯坦福大學(xué)
鉑金非常昂貴,因此大規(guī)模商業(yè)化是不切實際的,戴宏杰(HongjieDai)說,他是斯坦福大學(xué)化學(xué)教授,也是這項研究的合著者。開發(fā)一種低成本的替代方法一直是一個重要的研究目標(biāo),已經(jīng)有幾十年了。
在過去五年中,每盎司鉑金價格從不到800美元到2200美元以上不等。其中最有前途的低成本鉑替代品就是碳納米管,這是一種卷起來的純碳片,稱為石墨烯,只有一個原子厚,比人的頭發(fā)薄1萬多倍。碳納米管和石墨烯是優(yōu)良的電導(dǎo)體,制備相對便宜。
在這項研究中,斯坦福大學(xué)的研究小組使用多壁碳納米管,這種納米管包含兩個或三個同心管,套在一起組成??茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn),切碎外壁,保留內(nèi)壁完整,可提高碳納米管的催化活性,但不妨礙導(dǎo)電性能。
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典型的碳納米管有少數(shù)缺陷。李焰光(YanguangLi)說,他是斯坦福大學(xué)博士后研究員,也是這項研究的重要作者,但是,這些缺陷實際上很重要,有助于形成催化位點,會使納米管非?;钴S,促進催化反應(yīng)。
這幅圖顯示雙壁碳納米管。每個納米管都是由卷起的碳片制成,只有一個原子厚。來源:斯坦福大學(xué)
剝開外壁
研究中,李焰光和他的同事在化學(xué)溶液中處理多壁碳納米管。微觀分析表明,這樣處理會使外層碳納米管部分剝落,形成納米尺度的石墨烯片,仍然粘在內(nèi)層碳納米管上,內(nèi)層納米管大多保存完好。
我們發(fā)現(xiàn),加入少量鐵和氮雜質(zhì),會使外層納米管壁非?;钴S,有利于催化反應(yīng),戴宏杰說。但內(nèi)層納米管保持完整,供應(yīng)了路徑,讓電子可以四處流動。你想讓外壁非?;钴S,但仍然要良好的導(dǎo)電性。假如使用單壁碳納米管,就不會有這一優(yōu)勢,因為管壁上的破損會降低電氣性能。
在燃料動力鋰電池和金屬空氣電池中,鉑催化劑具有至關(guān)重要的用途,可加快化學(xué)反應(yīng),把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)換為水。但部分剝落的多壁碳納米管效果也會很好,李焰光說。我們發(fā)現(xiàn),碳納米管的催化活性非常接近鉑金,他說。這種高活性和穩(wěn)定的設(shè)計,使它們成為有前途的候選材料,可用于燃料動力鋰電池。
這些研究人員最近送出一些樣品,把這些實驗碳納米管催化劑送給燃料動力鋰電池專家,進行測試。我們的目標(biāo)是制備一種燃料動力鋰電池,具有非常高的能量密度,可以持續(xù)使用很長時間,李焰光說。
多壁碳納米管也可用于鋰或鋅制成的金屬-空氣電池。
鋰空氣電池是令人興奮的,因為它們有超高的理論能量密度,比當(dāng)今最好的鋰離子電池技術(shù)高出10倍以上,戴宏杰說。但發(fā)展有一個障礙,就是一直缺乏高性能、低成本的催化劑。碳納米管是一種很好的替代品,可取代鉑,鈀(palladium)和其他貴重金屬催化劑,這些都是目前使用的。
這個顯微鏡圖像顯示了受損的外壁,是雙層和三層壁碳納米管在化學(xué)溶液中處理后的情況。這種技術(shù)有助于碳納米管形成一種有吸引力的低成本替代材料,取代鉑催化劑,用于燃料動力鋰電池。來源:斯坦福大學(xué)
有爭議的點位
斯坦福大學(xué)的這項研究也解決了一個長期的科學(xué)爭議,就是催化活性中心(catalyticactivesites)的化學(xué)結(jié)構(gòu),這里會發(fā)生氧氣反應(yīng)。一些科學(xué)家認為,在活性中心,鐵雜質(zhì)會鍵合氮,李焰光說。另一些人認為,鐵幾乎沒有什么用途,只是促進活性中心完全由氮形成。
為了解決這一爭議,斯坦福大學(xué)研究小組找來橡樹嶺國家實驗室(OakRidgeNationalLaboratory)的科學(xué)家,進行原子級成像,從光譜學(xué)分析碳納米管。結(jié)果顯示了清楚的視覺證據(jù),說明鐵和氮原子靠得很近。
顯微鏡成像和光譜映射鐵和氮原子在碳納米管-石墨烯復(fù)合物上的情況。來源:斯坦福大學(xué)
這是第一次,我們能夠拍攝到這種催化劑的單個原子形象,戴宏杰說。所有圖像都顯示,鐵和氮緊靠去一起,這表明這兩個元素是鍵合在一起。這種成像是可能的,因為石墨烯片只有一個原子厚。
戴宏杰指出,鐵雜質(zhì)可提高催化劑的活性,這些鐵雜質(zhì)實際上源自金屬顆粒,這些顆粒用來制造碳納米管,是科學(xué)家們無意間添加的。意外發(fā)現(xiàn)這些寶貴的鐵顆粒,給了研究人員一個重要的教訓(xùn)。我們認識到,碳納米管中的金屬雜質(zhì)不容忽視,戴宏杰說。