Nanotubos de carbono dopados com nitrogênio ou nanofitas de grafeno modificadas podem ser substitutos adequados para a platina para redução rápida de oxigênio, a principal reação nas células de combustível que transformam energia química em eletricidade, de acordo com pesquisadores da Rice University.

As descobertas são de simulações de computador feitas por cientistas de Rice que se propuseram a ver como os nanomateriais de carbono podem ser melhorados para cátodos de células de combustível. Seu estudo revela os mecanismos em nível de átomo pelos quais nanomateriais dopados catalisam reações de redução de oxigênio (ORR).

A pesquisa aparece na revista Royal Society of Chemistry Nanoescala .

O físico teórico Boris Yakobson e seus colegas Rice estão entre os muitos que procuram uma maneira de acelerar o ORR para células de combustível, que foram descobertos no século 19, mas não amplamente utilizados até a última parte do século 20. Desde então, eles abasteceram meios de transporte que vão de carros e ônibus a espaçonaves.

Os pesquisadores do Rice, incluindo o autor principal e ex-associado de pós-doutorado Xiaolong Zou e o estudante de graduação Luqing Wang, usaram simulações de computador para descobrir por que nanofitas de grafeno e nanotubos de carbono modificados com nitrogênio e / ou boro, há muito estudado como um substituto para a cara platina, são tão lentos e como podem ser melhorados.

Doping, ou modificando quimicamente, nanotubos condutores ou nanofitas mudam suas características de ligação química. Eles podem então ser usados ​​como cátodos em células a combustível de membrana de troca de prótons. Em uma célula de combustível simples, os anodos absorvem o hidrogênio combustível e o separam em prótons e elétrons. Enquanto os elétrons negativos fluem como corrente utilizável, os prótons positivos são atraídos para o cátodo, onde eles se recombinam com o retorno de elétrons e oxigênio para produzir água.

Os modelos mostraram que nanotubos de carbono mais finos com uma concentração relativamente alta de nitrogênio teriam um desempenho melhor, já que os átomos de oxigênio se ligam prontamente ao átomo de carbono mais próximo do nitrogênio. Os nanotubos têm uma vantagem sobre as nanofitas devido à sua curvatura, que distorce as ligações químicas em torno de sua circunferência e facilita a ligação, os pesquisadores descobriram.

A parte complicada é fazer um catalisador que não é nem muito forte nem muito fraco, pois se liga ao oxigênio. A curva do nanotubo fornece uma maneira de sintonizar a energia de ligação dos nanotubos, de acordo com os pesquisadores, que determinou que nanotubos "ultrafinos" com um raio entre 7 e 10 angstroms seriam os ideais. (Um angstrom é um décimo bilionésimo de um metro; para comparação, um átomo típico tem cerca de 1 angstrom de diâmetro.)

Eles também mostraram que a co-dopagem de nanofitas de grafeno com nitrogênio e boro aumenta a capacidade de absorção de oxigênio das fitas com bordas em zigue-zague. Nesse caso, o oxigênio encontra uma oportunidade de ligação dupla. Primeiro, eles se ligam diretamente a locais dopados com boro carregados positivamente. Segundo, eles são atraídos por átomos de carbono com alta carga de spin, que interage com os orbitais de elétrons polarizados de spin dos átomos de oxigênio. Enquanto o efeito de rotação aumenta a adsorção, a energia de ligação permanece fraca, também alcançando um equilíbrio que permite um bom desempenho catalítico.

Os pesquisadores mostraram que os mesmos princípios catalíticos são verdadeiros, mas com menor efeito, para nanofitas com bordas de poltrona.

"Embora os nanotubos dopados sejam uma boa promessa, o melhor desempenho provavelmente pode ser alcançado nas bordas do zigue-zague de nanofibra, onde a substituição de nitrogênio pode expor o chamado nitrogênio piridínico, que tem atividade catalítica conhecida, "Yakobson disse.

"Se disposto em uma configuração de espuma, tal material pode se aproximar da eficiência da platina, "Disse Wang." Se o preço for uma consideração, certamente seria competitivo. "