Los nanotubos de carbono de paredes múltiples plagados de defectos e impurezas en el exterior podrían reemplazar algunos de los costosos catalizadores de platino utilizados en las pilas de combustible y las baterías de metal-aire. según científicos de la Universidad de Stanford. Sus hallazgos aparecen en la edición en línea del 27 de mayo de la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

"El platino es muy caro y, por tanto, poco práctico para la comercialización a gran escala, "dijo Hongjie Dai, profesor de química en Stanford y coautor del estudio. "Desarrollar una alternativa de bajo costo ha sido un objetivo de investigación importante durante varias décadas".

En los últimos cinco años, el precio del platino ha oscilado entre poco menos de $ 800 y más de $ 2, 200 una onza. Entre los más prometedores, alternativas de bajo costo al platino es el nanotubo de carbono, una hoja enrollada de carbono puro, llamado grafeno, que tiene un átomo de espesor y más de 10, 000 veces más estrecho que un cabello humano. Los nanotubos de carbono y el grafeno son excelentes conductores de electricidad y su producción es relativamente económica.

Para el estudio, el equipo de Stanford utilizó nanotubos de carbono de paredes múltiples que consisten en dos o tres tubos concéntricos anidados juntos. Los científicos demostraron que triturar la pared exterior, dejando intactas las paredes interiores, mejora la actividad catalítica en nanotubos, sin embargo, no interfiere con su capacidad para conducir electricidad.

"Un nanotubo de carbono típico tiene pocos defectos, "dijo Yanguang Li, becario postdoctoral en Stanford y autor principal del estudio. "Pero los defectos son realmente importantes para promover la formación de sitios catalíticos y hacer que el nanotubo sea muy activo para las reacciones catalíticas".

Descomprimido

Para el estudio, Li y sus compañeros de trabajo trataron nanotubos de paredes múltiples en una solución química. El análisis microscópico reveló que el tratamiento hizo que el nanotubo externo se descomprimiera parcialmente y formara piezas de grafeno de tamaño nanométrico que se adherían al nanotubo interno. que permaneció casi intacta.

"Descubrimos que la adición de algunas impurezas de hierro y nitrógeno hacía que la pared exterior fuera muy activa para las reacciones catalíticas, "Dijo Dai." Pero el interior mantuvo su integridad, proporcionando un camino para que los electrones se muevan. Quieres que el exterior sea muy activo, pero aún desea tener una buena conductividad eléctrica. Si usaras un nanotubo de carbono de pared simple, no tendrías esta ventaja, porque el daño en la pared degradaría la propiedad eléctrica ".

En pilas de combustible y baterías de metal-aire, Los catalizadores de platino juegan un papel crucial en la aceleración de las reacciones químicas que convierten el hidrógeno y el oxígeno en agua. Pero el parcialmente descomprimido, Los nanotubos de paredes múltiples podrían funcionar igual de bien, Li agregó. "Descubrimos que la actividad catalítica de los nanotubos está muy cerca del platino, ", dijo." Esta alta actividad y la estabilidad del diseño los convierten en candidatos prometedores para las pilas de combustible ".

Los investigadores enviaron recientemente muestras de los catalizadores de nanotubos experimentales a expertos en celdas de combustible para su prueba. "Nuestro objetivo es producir una pila de combustible con una densidad de energía muy alta que pueda durar mucho tiempo, "Dijo Li.

Los nanotubos de paredes múltiples también podrían tener aplicaciones en baterías de metal-aire hechas de litio o zinc.

"Las baterías de litio-aire son emocionantes debido a su densidad de energía teórica ultra alta, que es más de 10 veces mayor que la mejor tecnología de iones de litio actual, "Dijo Dai." Pero uno de los obstáculos para el desarrollo ha sido la falta de un alto rendimiento, catalizador de bajo costo. Los nanotubos de carbono podrían ser una excelente alternativa al platino, paladio y otros catalizadores de metales preciosos ahora en uso ".

Sitios controvertidos

El estudio de Stanford también podría haber resuelto una controversia científica de larga data sobre la estructura química de los sitios catalíticos activos donde ocurren las reacciones de oxígeno. "Un grupo de científicos cree que las impurezas de hierro están unidas al nitrógeno en el sitio activo, "Li dijo." Otro grupo cree que el hierro no aporta prácticamente nada, excepto para promover sitios activos hechos completamente de nitrógeno ".

Para abordar la controversia, El equipo de Stanford reclutó a científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge para realizar análisis de imágenes a escala atómica y espectroscopía de los nanotubos. Los resultados mostraron claros, evidencia visual de átomos de hierro y nitrógeno muy próximos.

"Por primera vez, pudimos obtener imágenes de átomos individuales en este tipo de catalizador, "Dijo Dai." Todas las imágenes mostraban hierro y nitrógeno juntos, sugiriendo que los dos elementos están unidos. Este tipo de imagen es posible, porque las piezas de grafeno tienen un grosor de solo un átomo ".

Dai notó que las impurezas de hierro, que mejoró la actividad catalítica, en realidad provino de semillas de metal que se usaron para fabricar los nanotubos y no fueron agregadas intencionalmente por los científicos. El descubrimiento de estos trozos de hierro accidentales pero invaluables ofreció a los investigadores una lección importante. "Aprendimos que las impurezas metálicas en los nanotubos no deben ignorarse, "Dijo Dai.