據萊斯大學的研究人員介紹，用于快速氧化還原的氮摻雜碳納米管或石墨烯納米帶改性可能是鉑的理想代替品。這是燃料電池的主要反應，它能將化學能轉化為電能。

萊斯大學的科學家們進行的模擬研究表明：如何優化碳納米材料，以取代用于發電的燃料電池負極中昂貴的鉑。照片來源：Yakobson研究集團

這個發現來自萊斯研究人員的計算機模擬，目的在于找出碳納米負極材料如何增強燃料電池的性能。他們的研究揭示了摻雜納米材料催化氧化還原反應(ORR)的原子級別的機制。這項研究已經發表在英國皇家化學學會雜志《Nanoscale》上。

理論物理學家BorisYakobson和他的萊斯的同事在許多方法之中尋求加速燃料電池ORR的途徑，而這種燃料電池在19世紀被發現，直到20世紀后期才被廣泛使用。自那以后，它們就為各種各樣交通方式提供動力，從汽車到航天器。

萊斯團隊，包括了主要作者、前博士后鄒小龍和研究生王璐青，他們采用計算模擬來尋找為什么用氮或者硼改性的石墨烯納米帶和碳納米管(被認為是貴金屬鉑的長期替代品)是如此的遲緩以及他們是怎么被轉化的。

摻雜或者化學改性，導電納米管或納米帶可以改變他們的化學鍵特征。然后它們可以用作質子交換膜燃料電池中的負極。在簡單的燃料電池中，陽極吸入氫燃料然后被分成電子和質子。當負電子作為可用電流流出時，正質子被吸引到陰極，它們在陰極與返回的電子和氧重新結合產生水。

模型顯示，有相對較高濃度氮氣、而且較薄的碳納米管的工作效果最好，因為氧原子容易與靠近氮的碳原子結合。研究人員發現，由于納米管的曲率扭曲了周圍的化學鍵，使得納米管在納米帶上有一個加點，從而導致結合得更加容易。

這個復雜的點就是創造一種與氧氣結合的催化劑，它不會太強也不會太弱。據研究人員說，納米管曲線提供了這種調節納米管結合能的的方法，它們認為半徑在7至10埃之間的“超薄納米管”是最好的。(1?=1×10-10m；作為比較，一個標準的原子直徑大約為1?)

他們還證明，用氮和硼共同摻雜的石墨烯納米帶可以改善鋸齒狀邊緣帶的吸氧能力。在這種情況下，氧氣會進行雙鍵結合。首先，它們直接連接到帶正電荷的硼摻雜位點，其次，它們被高自旋電荷的碳原子吸引，與氧原子的自旋極化電子軌道相互作用。當旋轉效應提高了它的吸附性時，結合能就能微弱保持，并達到平衡，從而具有良好的催化性能。

研究人員證明，相同的催化原理是真實的，但是對于具有椅型邊緣的納米帶而言影響較小。Yakobson說：“雖然摻雜納米管顯示出良好的前景，但是在納米帶鋸齒邊緣的氮氣置換會使所謂的吡啶型氮裸露(具有良好的催化活性)，從而得到它的最佳性能。”

王說：“如果以泡沫狀結構排列，這種材料可以達到鉑的效果。如果考慮價格因素，那它會具有一定的競爭性。”

鄒先生目前是伯克利—清華深圳研究院的助理教授。Yakobson是材料科學和納米工程的KarlF.Hasselmann教授和化學教授。

RobertWelch基金會，陸軍研究辦公室室，深圳市發展和改革委員會，中國青年和清華—伯克利深圳研究所都為這項研究提供了支持。