Los nanotubos de carbono dopados con nitrógeno o las nanocintas de grafeno modificadas pueden ser sustitutos adecuados del platino para una rápida reducción del oxígeno. la reacción clave en las pilas de combustible que transforman la energía química en electricidad, según investigadores de la Universidad de Rice.

Los hallazgos provienen de simulaciones por computadora realizadas por científicos de Rice que se propusieron ver cómo se pueden mejorar los nanomateriales de carbono para los cátodos de celdas de combustible. Su estudio revela los mecanismos a nivel de átomo mediante los cuales los nanomateriales dopados catalizan las reacciones de reducción de oxígeno (ORR).

La investigación aparece en la revista Royal Society of Chemistry. Nanoescala .

El físico teórico Boris Yakobson y sus colegas de Rice se encuentran entre los muchos que buscan una forma de acelerar la ORR para las celdas de combustible. que fueron descubiertos en el siglo XIX pero que no se utilizaron ampliamente hasta finales del siglo XX. Desde entonces, han impulsado modos de transporte que van desde automóviles y autobuses hasta naves espaciales.

Los investigadores de Rice, incluido el autor principal y ex asociado postdoctoral Xiaolong Zou y el estudiante de posgrado Luqing Wang, usó simulaciones por computadora para descubrir por qué las nanocintas de grafeno y los nanotubos de carbono se modificaron con nitrógeno y / o boro, estudiado durante mucho tiempo como sustituto del costoso platino, son tan lentos y cómo se pueden mejorar.

Dopaje o modificando químicamente, Los nanotubos o nanocintas conductores cambian sus características de enlace químico. Luego pueden usarse como cátodos en celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. En una simple pila de combustible, los ánodos absorben combustible de hidrógeno y lo separan en protones y electrones. Mientras que los electrones negativos fluyen como corriente utilizable, los protones positivos son atraídos hacia el cátodo, donde se recombinan con los electrones y el oxígeno que regresan para producir agua.

Los modelos mostraron que los nanotubos de carbono más delgados con una concentración relativamente alta de nitrógeno funcionarían mejor, ya que los átomos de oxígeno se unen fácilmente al átomo de carbono más cercano al nitrógeno. Los nanotubos tienen una ventaja sobre las nanocintas debido a su curvatura, que distorsiona los enlaces químicos alrededor de su circunferencia y conduce a una unión más fácil, los investigadores encontraron.

El truco es hacer un catalizador que no sea ni demasiado fuerte ni demasiado débil, ya que se une al oxígeno. La curva del nanotubo proporciona una forma de ajustar la energía de enlace de los nanotubos, según los investigadores, quien determinó que los nanotubos "ultrafinos" con un radio de entre 7 y 10 angstroms serían ideales. (Un angstrom es la diez mil millonésima parte de un metro; en comparación, un átomo típico tiene aproximadamente 1 angstrom de diámetro).

También mostraron que las nanocintas de grafeno codopantes con nitrógeno y boro mejoran la capacidad de absorción de oxígeno de las cintas con bordes en zigzag. En este caso, el oxígeno encuentra una oportunidad de doble enlace. Primero, se adhieren directamente a sitios dopados con boro cargados positivamente. Segundo, son atraídos por átomos de carbono con alta carga de giro, que interactúa con los orbitales de electrones de espín polarizados de los átomos de oxígeno. Mientras que el efecto de giro mejora la adsorción, la energía de enlace sigue siendo débil, también logrando un equilibrio que permita un buen desempeño catalítico.

Los investigadores demostraron que los mismos principios catalíticos eran válidos, pero con menor efecto, para nanocintas con bordes de sillón.

"Si bien los nanotubos dopados son prometedores, el mejor rendimiento probablemente se pueda lograr en los bordes en zigzag de nanocintas donde la sustitución de nitrógeno puede exponer el llamado nitrógeno piridínico, que tiene actividad catalítica conocida, "Dijo Yakobson.

"Si está dispuesto en una configuración similar a la espuma, tal material puede acercarse a la eficiencia del platino, "Dijo Wang." Si el precio es una consideración, ciertamente sería competitivo ".