19 februari, 2009

Kolnanorör för katalys

Kolnanorör har i många år sett som mirakelmaterialet som är superstarkt, med fantastiska elektriska egenskaper, och som skall leda till såväl rymdhissar som snabbare elektronik. Men nanorören har haft lite svårt att leva upp till hypen. Nåväl, i veckans Science1 publicerades en artikel som visar på en ny möjlighet - som katalysatorer i bränsleceller.

I en bränslecell omvandlas ett bränsle (vätgas, glykol, metanol o.s.v.) till elektricitet i en kemisk reaktion. Eller egentligen två; en bränslecell har två avdelningar. På anodsidan oxideras bränslet, vilket innebär att det avger en eller flera elektroner. Dessa transporteras som användbar elektrisk ström till katodsidan där syre reduceras, dvs tar upp elektroner. För att öka effektiviteten i de annars långsamma reaktionerna använder man katalysatorer i katoden oftast baserade på ädelmetallen platina.

I den aktuella artikeln har man lyckats visa att kväve-dopade kolnanorör kan vara en mer effektiv katalysator för syrereduktion än vad platina är. Nanorör har länge använts i elektroder (jag forskar själv inom det området), mycket för att de ökar den effektiva arean, men man har även vetat att de har viss katalytisk effekt. Det nya är att kvävedopningen verkar öka effekten dramatiskt. Därtill är nanorörskatoden mer stabil över tid än platina-kol-katoden och okänslig för CO-förgiftning, något som är ett stort problem i praktisk användning av metanolbränsleceller.

Om man nu kan lyckas ta steget från mikroskopiska kvantiteter i labbet till storskalig användning skulle det kunna bli en lyckosam tillämpning av nanorör. Till skillnad från platina är nanorör en förnybar resurs och priset sjunker stadigt i och med att mer och mer tillverkning dras igång. Vi får se om nanorören äntligen lever upp till förväntningarna...

Läs även mer i New Scientist.

Ref:
1 K. Gong, F. Du, Z. Xia, M. Durstock, och L. Dai,
Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Arrays with High Electrocatalytic Activity for Oxygen Reduction, Science 323, 760-764. (abstract)

Andra bloggar om , , , .

2 kommentarer:

Maria Abrahamsson sa...

Hmm, antar att den förbättrade effektiviteten med kvävedopade nanorör kommer sig av att kväveatomerna ökar mängden elektroner som kan lagras i nanoröret? Och en annan fundering - är nanorören effektivare än Pt under hela den katalytiska cykeln, eller är det just deras stabilitet som är den stora grejen? (kommer av oklara anledningar inte åt Science just nu...)

mjn sa...

Inte så mycket av den ökade mängden elektroner som kan lagras, utan av att kväveatomens höga elektronaffinitet ändrar laddningsfördelningen i röret. Det leder, spekulerar författarna om, till att en del kolatomer lättare oxideras, och/eller att det förändrar sättet O2 molekylen binder till kolytan. Man är inte riktigt säkra på mekanismen.

Nanorören ger både högre steady-state-ström (troligtvis till stor del pga ökad effektiv area) och lägre överpotential än motsvarande Pt-elektrod.

Intressant är att N-dopade nanorör katalyserar direkt 4-elektron-reducering av O2, medan nanorör utan kväve katalyserar 2-elektron-reducering, så kvävet förändrar verkligen den katalytiska processen.