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(diǎn)，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。科學(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。

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(diǎn)，會使納米管非常活躍，促進(jìn)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常活躍，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。你想讓外壁非常活躍，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(jìn)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(diǎn)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(rèn)為，在活性中心，鐵雜質(zhì)會鍵合氮，李焰光說。另一些人認(rèn)為，鐵幾乎沒有什么用途，只是促進(jìn)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(jìn)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(rèn)識到，碳納米管中的金屬雜質(zhì)不容忽視，戴宏杰說。