气凝胶催化剂显示出对燃料电池的希望

据莱斯大学的研究人员称，石墨烯纳米带形成三维气凝胶并用硼和氮增强，是燃料电池的优良催化剂，即使与铂相比也是如此。

由材料科学家Pulickel Ajayan和化学家James Tour领导的团队从石墨烯纳米带和不同水平的硼和氮制备了不含金属的气凝胶，以测试其电化学性质。在涉及燃料电池中发生的一半催化反应的测试中，他们发现含有约10%硼和氮的型号可有效催化所谓的氧还原反应，这是从甲醇等原料中产生能量的一个步骤。

该研究发表在化学学会期刊“材料化学”上。

Ajayan的Rice实验室在将纳米结构转变为宏观材料方面表现出色，如2012年发明的吸油海绵，或者最近，具有可控密度和孔隙率的固体纳米管块。这项新研究将这些能力与Tour实验室2009年的方法相结合，将纳米管解压缩成导电石墨烯纳米带。

研究人员已经认识到，石墨烯作为催化剂的潜力不是沿着平面，而是沿着分子更喜欢相互作用的暴露边缘。Rice团队将碳纳米管化学解压成带状，然后将它们折叠成多孔的三维气凝胶，同时用硼和氮分子修饰带状边缘。

新材料沿着暴露的边缘提供了丰富的活性位点，用于氧还原反应。燃料电池通过一个过程将氢气(或甲烷等氢气源)转化为电能，在一个过程中剥离电子，并在电路闭合时将它们与氢气和氧气重新组合。主要废物是二氧化碳和水，甲醇或氢气，水。

Ajayan说，大多数现有燃料电池的反应都是由铂催化的，但铂的高成本促使人们寻找替代品。

“开发碳基催化剂的关键在于掺杂过程，尤其是氮和硼等元素，”他说。“石墨碳 - 硼 - 氮系统近年来引发了许多惊喜，特别是作为铂基催化剂的可行替代品。” 他说，Rice工艺是独一无二的，因为它不仅暴露边缘，而且还提供允许反应物渗透材料的多孔导管。

赖斯理论物理学家鲍里斯雅科布森和他的学生的模拟发现，硼和氮掺杂都不能产生所需的反应。测试发现优化的硼/氮气凝胶远远优于铂，以避免交叉效应，其中像甲醇这样的燃料渗透到分离电极并降低性能的聚合物电解质中。研究人员观察到5000次循环没有这种效应。

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