莱斯大学的研究人员发现氮掺杂碳纳米管或改性石墨烯纳米带可能会取代铂，这是燃料电池中最昂贵的方面之一，用于快速减少氧气 - 这是将化学能转化为电能的关键反应。

研究人员使用计算机模拟来研究碳纳米材料如何改进燃料电池阴极，并发现掺杂纳米材料催化氧还原反应的原子级机制。模拟还揭示了为什么石墨烯纳米带和用氮和/或硼改性的碳纳米管如此缓慢以及如何改进它们。

“如果以泡沫状配置排列，这种材料可以达到铂的效率，”赖斯团队在一份声明中说。“如果价格是一个考虑因素，它肯定会具有竞争力”。在掺杂或化学改性导电纳米管以改变其化学键合特性之后，纳米管可用作质子交换膜燃料电池中的阴极。

在简单的燃料电池中，阳极吸收氢燃料并将其分离成质子和电子。当负电子作为可用电流流出时，正质子被吸引到阴极，在那里它们与返回的电子和氧重新结合以产生水。研究人员发现，具有较高氮浓度的较薄碳纳米管表现最佳，因为氧原子很容易与最接近氮的碳原子结合。

研究小组发现，使用纳米管比使用纳米带更有利，因为它们的曲率会扭曲周围的化学键，从而更容易结合。然而，难以制备既不太强也不太弱的催化剂，因为它与氧键合。纳米管的曲线提供了调节纳米管结合能的途径。研究人员确定半径为7到10埃的纳米管是理想的。

他们还发现，共掺杂石墨烯纳米带与氮和硼增强了带有锯齿形边缘的带的氧吸收能力，其中氧发现了双键机会。它们首先直接附着在带正电荷的硼掺杂位点上，然后被具有高自旋电荷的碳原子吸引，这些自旋电荷与氧原子的自旋极化电子轨道相互作用。对于具有扶手椅边缘的纳米带，同样的原则也适用，但程度较小。

“虽然掺杂的纳米管显示出良好的前景，但是在纳米带锯齿形边缘处可能实现最佳性能，其中氮取代可以暴露所谓的吡啶氮，其具有已知的催化活性，”赖斯理论物理学家说。

虽然旋转效应增强了吸附，但结合能仍然很弱，同时实现了平衡，从而实现了良好的催化性能。