¿Estaría violando las leyes de termodinámica si el grafeno se pudiera usar para filtrar el hidrógeno del aire para hacer combustible?

Estos dos artículos abordan algunas de las nuevas películas de grafeno dopado con bordes y orificios funcionalizados que permiten aplicaciones de celdas de combustible más activas. El aerogel de nitruro de boro y la película de grafeno defectuosa mejoran las pilas de combustible. Estos artículos son de comunicados de prensa recientes de Penn State y Rice University.
Este parece ser el área de interés que expresó en la pregunta. Si está buscando otros problemas con la batería (de hidrógeno), hay algunos artículos de laboratorio nacionales (documentos recientes del Departamento de Energía) que muestran algunas mejoras en los SuperCapacitors y su capacidad para utilizar el hidrógeno de la atmósfera. (Supongo que tu “aire fino”). Espero que esto sea útil.

La membrana de grafeno podría conducir a mejores celdas de combustible, filtros de agua

Martes, 17/03/2015 – 12:32 pm

Walt Miss, Penn State Univ.

Según un grupo de 15 teóricos y experimentadores, incluidos tres investigadores teóricos de la Penn State Univ, una membrana delgada atómicamente con orificios microscópicamente pequeños puede ser la base para futuras celdas de combustible de hidrógeno, membranas de filtración de agua y desalinización.

El equipo, liderado por Franz Geiger de Northwestern Univ., Probó la posibilidad de usar grafeno, el robusto carbono de capa atómica única, como una membrana de separación en el agua y descubrió que los defectos naturales, esencialmente unos pocos átomos de carbono faltantes, permitían que los protones de hidrógeno cruzar la barrera a velocidades sin precedentes. Si bien muchos investigadores se esfuerzan por hacer que el grafeno esté libre de defectos para explotar sus propiedades electrónicas superiores, el equipo de Geiger descubrió que el grafeno requería las vacantes para crear canales de agua a través de la membrana. Simulaciones por computadora realizadas en Penn State y la Univ. de Minnesota mostró que los protones se trasladaron a través de la barrera a través de defectos atómicos terminados en hidroxilo, es decir, por grupos oxígeno hidrógeno unidos al defecto.

Los investigadores publicaron sus resultados en Nature Communications .

“Nuestras simulaciones y experimentos mostraron que necesita tener al menos cuatro vacantes de carbono y algún tipo de canal para superar la barrera de energía que normalmente evitaría que los protones se crucen al otro lado”, dice Adri van Duin, profesor asociado de mecánica y mecánica. ingeniería nuclear, Penn State, que utilizó cálculos de campo de fuerza reactivos para hacer simulaciones dinámicas, a escala atomística del proceso. “Si podemos aprender a diseñar los defectos y el tamaño del defecto, podríamos hacer una membrana de separación efectiva. Aunque todavía requiere mucho trabajo de diseño, claramente esto parece muy atractivo para muchas aplicaciones, incluida la desalinización”.

También puede funcionar para un diseño nuevo y menos complicado para las celdas de combustible en el futuro, cree Geiger. “Todo lo que necesitas es grafeno de una sola capa ligeramente imperfecto”, dice.

Fuente: Penn State Univ.

El catalizador de aerogel es prometedor para las pilas de combustible

Lunes, 03/02/2015 – 7:54 am

Mike Williams, Rice Univ.

Una ilustración muestra un aerogel tridimensional creado por investigadores de Rice Univ. quienes combinaron nanofibras de grafeno con boro y nitrógeno. Los aerogeles se muestran prometedores como una posible alternativa al costoso platino en las celdas de combustible. Imagen: Ajayan Group / Rice Univ. Los nanoribones de grafeno formados en un aerogel 3-D y mejorados con boro y nitrógeno son excelentes catalizadores para las celdas de combustible, incluso en comparación con el platino, según Rice Univ. investigadores

Un equipo dirigido por el científico de materiales Pulickel Ajayan y el químico James Tour hizo aerogeles libres de metales a partir de nanofibras de grafeno y varios niveles de boro y nitrógeno para probar sus propiedades electroquímicas. En pruebas que involucraron la mitad de la reacción catalítica que tiene lugar en las celdas de combustible, descubrieron que las versiones con aproximadamente 10% de boro y nitrógeno fueron eficientes para catalizar lo que se conoce como reacción de reducción de oxígeno, un paso para producir energía a partir de materias primas como el metanol.

La investigación apareció en Chemistry of Materials .

El laboratorio de Ajayan Rice se ha destacado por convertir las nanoestructuras en materiales macroscópicos, como las esponjas absorbentes de petróleo inventadas en 2012 o, más recientemente, los bloques de nanotubos sólidos con densidades y porosidades controlables. La nueva investigación combina esas habilidades con el método 2009 del laboratorio Tour para descomprimir nanotubos en nanoribones de grafeno conductivos.

Los investigadores se han dado cuenta de que el potencial del grafeno como catalizador no reside en la cara plana sino en los bordes expuestos donde las moléculas prefieren interactuar. El equipo de Rice descomprimió químicamente los nanotubos de carbono en cintas y luego los colapsó en aerogeles tridimensionales porosos, decorando simultáneamente los bordes de las cintas con moléculas de boro y nitrógeno.

El nuevo material proporciona una abundancia de sitios activos a lo largo de los bordes expuestos para reacciones de reducción de oxígeno. Las celdas de combustible convierten el hidrógeno (o fuentes de hidrógeno como el metano) en electricidad a través de un proceso que elimina los electrones en uno y los recombina con hidrógeno y oxígeno donde se cierra el circuito. Los productos de desecho primarios son dióxido de carbono y agua para metanol o, del hidrógeno, solo agua.

Las reacciones en la mayoría de las celdas de combustible actuales son catalizadas por el platino, pero el alto costo del platino ha impulsado la búsqueda de alternativas, dijo Ajayan.

“La clave para desarrollar catalizadores basados ​​en carbono está en el proceso de dopaje, especialmente con elementos como el nitrógeno y el boro”, dijo. “Los sistemas grafíticos de carbono-boro-nitrógeno han arrojado muchas sorpresas en los últimos años, especialmente como una alternativa viable a los catalizadores a base de platino”. El proceso de Rice es único, dijo, porque no solo expone los bordes sino que también proporciona conductos porosos. que permiten que los reactivos penetren en el material.

Las simulaciones del físico teórico de Rice Boris Yakobson y sus estudiantes encontraron que ni el dopaje con boro ni nitrógeno solo producirían las reacciones deseadas. Las pruebas encontraron que los aerogeles optimizados de boro / nitrógeno eran mucho mejores que el platino para evitar el efecto cruzado, en el que el combustible como el metanol impregna el electrolito de polímero que separa los electrodos y degrada el rendimiento. Los investigadores no observaron tal efecto en 5,000 ciclos.

Fuente: Rice Univ.

     

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