鉅大LARGE | 點擊量：482次 | 2021年09月13日
剝開碳納米管 可改進燃料動力電池與鋰空氣電池
多壁碳納米管外壁布滿缺陷和雜質，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，這是根據斯坦福大學（StanfordUniversity）的科學家所說。他們的研究結果發表在五月二十七日網絡版的《自然納米技術》雜志上，題為《氧還原電催化劑采用碳納米管-石墨烯復合物》（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，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
鉑金非常昂貴，因此大規模商業化是不切實際的，戴宏杰（HongjieDai）說，他是斯坦福大學化學教授，也是這項研究的合著者。開發一種低成本的替代方法一直是一個重要的研究目標，已經有幾十年了。
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，比人的頭發薄1萬多倍。碳納米管和石墨烯是優良的電導體，制備相對便宜。
在這項研究中，斯坦福大學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。科學家們發現，切碎外壁，保留內壁完整，可提高碳納米管的催化活性，但不妨礙導電性能。
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典型的碳納米管有少數缺陷。李焰光（YanguangLi）說，他是斯坦福大學博士后研究員，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，會使納米管非常活躍，促進催化反應。
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
剝開外壁
研究中，李焰光和他的同事在化學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，仍然粘在內層碳納米管上，內層納米管大多保存完好。
我們發現，加入少量鐵和氮雜質，會使外層納米管壁非常活躍，有利于催化反應，戴宏杰說。但內層納米管保持完整，供應了路徑，讓電子可以四處流動。你想讓外壁非常活躍，但仍然要良好的導電性。假如使用單壁碳納米管，就不會有這一優勢，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，鉑催化劑具有至關重要的用途，可加快化學反應，把氫氣和氧氣轉換為水。但部分剝落的多壁碳納米管效果也會很好，李焰光說。我們發現，碳納米管的催化活性非常接近鉑金，他說。這種高活性和穩定的設計，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，進行測試。我們的目標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，比當今最好的鋰離子電池技術高出10倍以上，戴宏杰說。但發展有一個障礙，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溶液中處理后的情況。這種技術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
有爭議的點位
斯坦福大學的這項研究也解決了一個長期的科學爭議，就是催化活性中心（catalyticactivesites）的化學結構，這里會發生氧氣反應。一些科學家認為，在活性中心，鐵雜質會鍵合氮，李焰光說。另一些人認為，鐵幾乎沒有什么用途，只是促進活性中心完全由氮形成。
為了解決這一爭議，斯坦福大學研究小組找來橡樹嶺國家實驗室（OakRidgeNationalLaboratory）的科學家，進行原子級成像，從光譜學分析碳納米管。結果顯示了清楚的視覺證據，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-石墨烯復合物上的情況。來源：斯坦福大學
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，鐵雜質可提高催化劑的活性，這些鐵雜質實際上源自金屬顆粒，這些顆粒用來制造碳納米管，是科學家們無意間添加的。意外發現這些寶貴的鐵顆粒，給了研究人員一個重要的教訓。我們認識到，碳納米管中的金屬雜質不容忽視，戴宏杰說。
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