此图显示，受损坏的碳纳米管壁具有纳米尺度的石墨烯片（白斑），有利于形成催化位点，这需要用铁（黄色）和氮原子（红色）制成。这种催化剂可把氧还有为水。来源：斯坦福大学
“铂金非常昂贵，因此大规模商业化是不切实际的，”戴宏杰（Hongjie Dai）说，他是斯坦福大学化学教授，也是这项研究的合著者。“开发一种低成本的替代方案一直是一个主要的研究目标，已经有几十年了。”
在过去五年中，每盎司铂金价格从不到800美元到2200美元以上不等。其中最有前途的低成本铂替代品就是碳纳米管，这是一种卷起来的纯碳片，称为石墨烯，只有一个原子厚，比人的头发薄1万多倍。碳纳米管和石墨烯是优良的电导体，制备相对便宜。
在这项研究中，斯坦福大学的研究小组使用多壁碳纳米管，这种纳米管包含两个或三个同心管，套在一起组成。科学家们发现，切碎外壁，保留内壁完整，可提高碳纳米管的催化活性，但不妨碍导电性能。
“典型的碳纳米管有少数缺陷。”李焰光（Yanguang Li）说，他是斯坦福大学博士后研究员，也是这项研究的主要作者，“但是，这些缺陷实际上很重要，有助于形成催化位点，会使纳米管非常活跃，促进催化反应。”
这幅图显示双壁碳纳米管。每个纳米管都是由卷起的碳片制成，只有一个原子厚。来源：斯坦福大学
剥开外壁
研究中，李焰光和他的同事在化学溶液中处理多壁碳纳米管。微观分析表明，这样处理会使外层碳纳米管部分剥落，形成纳米尺度的石墨烯片，仍然粘在内层碳纳米管上，内层纳米管大多保存完好。
“我们发现，加入少量铁和氮杂质，会使外层纳米管壁非常活跃，有利于催化反应，”戴宏杰说。“但内层纳米管保持完整，提供了路径，让电子可以四处流动。你想让外壁非常活跃，但仍然需要良好的导电性。如果使用单壁碳纳米管，就不会有这一优势，因为管壁上的破损会降低电气性能。”
“在燃料电池和金属空气电池中，铂催化剂具有至关重要的作用，可加快化学反应，把氢气和氧气转换为水。但部分剥落的多壁碳纳米管效果也会很好，”李焰光说。“我们发现，碳纳米管的催化活性非常接近铂金，”他说。“这种高活性和稳定的设计，使它们成为有前途的候选材料，可用于燃料电池。”
这些研究人员最近送出一些样品，把这些实验碳纳米管催化剂送给燃料电池专家，进行测试。 “我们的目标是制备一种燃料电池，具有非常高的能量密度，可以持续使用很长时间，”李焰光说。
多壁碳纳米管也可用于锂或锌制成的金属-空气电池。
“锂空气电池是令人兴奋的，因为它们有超高的理论能量密度，比当今最好的锂离子电池技术高出10倍以上，”戴宏杰说。“但发展有一个障碍，就是一直缺乏高性能、低成本的催化剂。碳纳米管是一种很好的替代品，可取代铂，钯（palladium）和其他贵重金属催化剂，这些都是目前使用的。”
这个显微镜图像显示了受损的外壁，是双层和三层壁碳纳米管在化学溶液中处理后的情况。这种技术有助于碳纳米管形成一种有吸引力的低成本替代材料，取代铂催化剂，用于燃料电池。来源：斯坦福大学
有争议的点位
斯坦福大学的这项研究也解决了一个长期的科学争议，就是催化活性中心（catalytic active sites）的化学结构，这里会发生氧气反应。“一些科学家认为，在活性中心，铁杂质会键合氮，”李焰光说。“另一些人认为，铁几乎没有什么作用，只是促进活性中心完全由氮形成。”
为了解决这一争议，斯坦福大学研究小组找来橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的科学家，进行原子级成像，从光谱学分析碳纳米管。结果显示了清楚的视觉证据，说明铁和氮原子靠得很近。
显微镜成像和光谱映射铁和氮原子在碳纳米管-石墨烯复合物上的情况。来源：斯坦福大学
“这是第一次，我们能够拍摄到这种催化剂的单个原子形象，”戴宏杰说。“所有图像都显示，铁和氮紧靠去一起，这表明这两个元素是键合在一起。这种成像是可能的，因为石墨烯片只有一个原子厚。”
戴宏杰指出，铁杂质可提高催化剂的活性，这些铁杂质实际上源自金属颗粒，这些颗粒用来制造碳纳米管，是科学家们无意间添加的。意外发现这些宝贵的铁颗粒，给了研究人员一个重要的教训。“我们认识到，碳纳米管中的金属杂质不容忽视，”戴宏杰说。
