石墨復合物可用作燃料電池的高活性電催化劑

    鋰電世界  美國斯坦福大學由戴宏杰（Hongjie Dai）博士率領的研究小組于2012年5月28日宣布，已經驗證了“部分解壓縮的”碳納米管在酸性和堿性溶液中具有氧還原電催化劑的能力。這項工作成果已在“自然納米技術（Nature Nanotechnology）”雜志上報道，可望成為應用于燃料電池和金屬-空氣電池使用鉑的較低成本的替代品。

    在新的過程中，少壁碳納米管的外壁被部分解壓，創建了依附在內管（碳納米管-石墨復合物）上石墨納米尺寸的薄片。這類石墨薄片中含有原來自納米管生長種子的極少量的鐵以及氮雜質，這有利于催化活性中心的形成和提高催化劑的活性，見圖1。

    圖1. 擁有納米尺寸石墨薄片（白斑）的碳納米管受損的外壁，納米尺寸石墨薄片有利于鐵（黃色）和氮原子（紅色）形成催化活性中心。該催化劑可使氧還原為水。

    研究人員發現，來自碳納米管外壁的石墨薄片具有催化活性，內壁保持不變，并保留其導電性，這有利于電催化過程中的電荷運輸。

    鉑金非常昂貴，從而用于大規模商業化不切實際。低成本的替代開發一直是幾十年來的主要研究目標。而通常使用的燃料電池，他們采用基于貴金屬，如鉑金或合金的高活性氧還原反應催化劑，。然而，在過去的五年中，鉑金價格已經從略低于每盎司800美元上升至每盎司2,200美元以上。

    由含有鐵或鈷之類的金屬及氮雜質的碳負裁材料，可增加可擴展性和降低成本，但這些替代品通常在使用過程中活性低和/或逐步會減活。

    該研究團隊發現，通過留下完整的內壁，碳納米管-石墨復合物表現出催化活性增強，而不會干擾其導電能力。

    業已發現，加入少量的鐵和氮雜質制造的外壁，有非常強的催化反應活性。但在保持其完整性時，也能提供電子運走的路徑。除了有很高的活性外，也需有良好的導電性。而使用了單壁碳納米管，就不會有這一優勢，因為壁損壞會使電性能降低。

    研究團隊發現，碳納米管的催化活性非常接近鉑，設計的高活性和穩定性，可使它們有望成為燃料電池的候選品。

    研究人員最近已制造出用于燃料電池的碳納米管催化劑實驗樣品并經測試。多壁碳納米管可望也可用于由鋰或鋅制取的金屬-空氣電池。

    斯坦福大學的研究也解決了有關發生氧反應的催化活性中心化學結構的長期科學爭議問題。