p Nanotubos de carbono com várias paredes crivados de defeitos e impurezas na parte externa poderiam substituir alguns dos caros catalisadores de platina usados ​​em células de combustível e baterias de metal-ar, de acordo com cientistas da Universidade de Stanford. Suas descobertas foram publicadas na edição online da revista de 27 de maio. Nature Nanotechnology . p "A platina é muito cara e, portanto, impraticável para comercialização em grande escala, "disse Hongjie Dai, professor de química em Stanford e co-autor do estudo. "O desenvolvimento de uma alternativa de baixo custo tem sido uma meta importante de pesquisa por várias décadas."

p Nos últimos cinco anos, o preço da platina variou de pouco menos de $ 800 a mais de $ 2, 200 a onça. Entre os mais promissores, alternativas de baixo custo para a platina são o nanotubo de carbono - uma folha enrolada de carbono puro, chamado grafeno, que tem um átomo de espessura e mais de 10, 000 vezes mais estreito um fio de cabelo humano. Nanotubos de carbono e grafeno são excelentes condutores de eletricidade e relativamente baratos de produzir.

p Para o estudo, a equipe de Stanford usou nanotubos de carbono com várias paredes, consistindo em dois ou três tubos concêntricos aninhados. Os cientistas mostraram que a destruição da parede externa, enquanto deixa as paredes internas intactas, aumenta a atividade catalítica em nanotubos, ainda não interfere com sua capacidade de conduzir eletricidade.

p "Um nanotubo de carbono típico tem poucos defeitos, "disse Yanguang Li, um pós-doutorado em Stanford e principal autor do estudo. "Mas os defeitos são realmente importantes para promover a formação de sítios catalíticos e tornar o nanotubo muito ativo para reações catalíticas."

p Descompactado

p Para o estudo, Li e seus colegas de trabalho trataram nanotubos de paredes múltiplas em uma solução química. A análise microscópica revelou que o tratamento fez com que o nanotubo externo se descompactasse parcialmente e formasse peças de grafeno nanométricas que se agarraram ao nanotubo interno, que permaneceu quase intacta.

p "Descobrimos que a adição de algumas impurezas de ferro e nitrogênio tornou a parede externa muito ativa para reações catalíticas, "Dai disse." Mas o interior manteve sua integridade, fornecendo um caminho para os elétrons se moverem. Você quer que o exterior seja muito ativo, mas você ainda deseja ter uma boa condutividade elétrica. Se você usasse um nanotubo de carbono de parede única, não teria essa vantagem, porque o dano na parede degradaria a propriedade elétrica. "

p Em células de combustível e baterias de metal-ar, os catalisadores de platina desempenham um papel crucial na aceleração das reações químicas que convertem hidrogênio e oxigênio em água. Mas o parcialmente descompactado, nanotubos de paredes múltiplas podem funcionar tão bem, Li acrescentou. “Descobrimos que a atividade catalítica dos nanotubos é muito próxima à da platina, "disse ele." Esta alta atividade e a estabilidade do design os tornam candidatos promissores para células de combustível. "

p Os pesquisadores recentemente enviaram amostras dos catalisadores de nanotubos experimentais para testes de especialistas em células de combustível. "Nosso objetivo é produzir uma célula de combustível com densidade de energia muito alta que pode durar muito tempo, "Li disse.

p Nanotubos de paredes múltiplas também podem ter aplicações em baterias de metal-ar feitas de lítio ou zinco.

p "As baterias de lítio-ar são empolgantes por causa de sua densidade de energia teórica ultra-alta, que é mais de 10 vezes maior do que a melhor tecnologia de íon de lítio de hoje, "Dai disse." Mas um dos obstáculos para o desenvolvimento tem sido a falta de um sistema de alto desempenho, catalisador de baixo custo. Nanotubos de carbono podem ser uma excelente alternativa à platina, paládio e outros catalisadores de metais preciosos agora em uso. "

p Sites polêmicos

p O estudo de Stanford também pode ter resolvido uma controvérsia científica de longa data sobre a estrutura química dos sítios ativos catalíticos onde ocorrem as reações de oxigênio. "Um grupo de cientistas acredita que as impurezas de ferro estão ligadas ao nitrogênio no local ativo, "Disse Li." Outro grupo acredita que o ferro não contribui com praticamente nada, exceto para promover sítios ativos feitos inteiramente de nitrogênio. "

p Para resolver a controvérsia, a equipe de Stanford recrutou cientistas do Oak Ridge National Laboratory para conduzir imagens em escala atômica e análise de espectroscopia dos nanotubos. Os resultados mostraram-se claros, evidência visual de átomos de ferro e nitrogênio nas proximidades.

p "Pela primeira vez, fomos capazes de criar imagens de átomos individuais neste tipo de catalisador, "Disse Dai." Todas as imagens mostraram ferro e nitrogênio juntos, sugerindo que os dois elementos estão ligados. Este tipo de imagem é possível, porque as peças de grafeno têm apenas um átomo de espessura. "

p Dai notou que as impurezas de ferro, que aumentou a atividade catalítica, na verdade, vieram de sementes de metal que foram usadas para fazer os nanotubos e não foram adicionadas intencionalmente pelos cientistas. A descoberta desses pedaços de ferro acidentais, porém inestimáveis, ofereceu aos pesquisadores uma lição importante. "Aprendemos que as impurezas metálicas nos nanotubos não devem ser ignoradas, "Dai disse.