13.5.3. Топливные элементы
Углеродные нанотрубки могут быть использованы при изготовлении батареек. Литий, являющийся носителем заряда в батареях, легко помещается внутрь структуры нанотрубок. По оценкам, в нанотрубке легко помещается один атом лития на каждые шесть атомов углерода. Другим перспективным применением нанотрубок является хранение в них водорода, что может быть использовано при создании топливных элементов – источников электрической энергии. Схематически такой топливный элемент изображен на рис. 13.13.
Электролит
(КОН +Н2О)
Рис. 13.13. Топливный элемент на основе нанотрубок
Топливный элемент состоит из двух электродов и специального электролита, пропускающего ионы водорода между электродами, но не пропускающего электроны. Водород направляется на анод, где происходит его ионизация. Свободные электроны движутся к катоду по внешней цепи, а ионы водорода диффундируют к катоду через электролит, где из этих ионов, электронов и атомов кислорода и образуются молекулы воды. Такой системе необходим источник водорода. В качестве источника можно использовать углеродные нанотрубки, то есть накапливать ионы водорода внутри них. По предварительным оценкам при использовании нанотрубки в таком качестве она должна поглощать около 6,5% водорода по весу. Однако существующие технологии позволяют “помещать” в нанотрубку только 4% водорода по весу.
13.5.4. Химические сенсоры
Установлено, что полевой транзистор, созданный на основе полупроводящей хиральной нанотрубки, является очень чувствительным детектором различных газов.
Были проведены следующие исследования. Полевой транзистор помещался в сосуд емкостью 500 мл, к нему подводилось питание и продувался газ, содержащий от 2 до 200 молей NO2 со скоростью 700 мл/мин. В результате при повышении концентрации NO2 имело место как минимум 3-кратное повышение проводимости нанотрубки (рис. 13.14).
Рис. 13.14. Вольтамперная характеристика газового наносенсора
Обнаруженный эффект обусловлен тем, что при связывании NO2 с нанотрубкой заряд переносится частично с нанотрубки на молекулы NO2, увеличивая тем самым концентрацию дырок в зоне проводимости нанотрубки и, соответственно, ток через нее. Данный эффект может лечь в основу конструирования новых химических газовых сенсоров.
13.5.5. Катализ
Катализатор – вещество (обычно металл или сплав), изменяющее скорость протекания химической реакции, не участвуя в этой реакции.
Для некоторых химических реакций углеродные нанотрубки являются хорошими катализаторами. Например, было показано, что многослойные нанотрубки со связанными с ними снаружи атомами Ru имеют сильный каталитический эффект на реакцию гидрогенизации коричневого альдегида (C6H5CH=CHCHO) в жидкой фазе по сравнению с влиянием того же рутения на другие углеродные соединения. Проводились химические реакции и внутри углеродных нанотрубок – например, восстановление оксида никеля NiO до металла, и AlCl3 до чистого алюминия. Кроме того, например поток газообразного водорода Н2 при Т = 4750С частично восстанавливает МоО3 до МоО2 с сопутствующим образованием паров воды внутри многослойных нанотрубок. Кристаллы сульфида кадмия CdS образуются внутри нанотрубок при реакции кристаллического оксида кадмия CdO с сероводородом (H2S) при Т = 4000С.