محاسبات تئوری تابع چگالی برای بهبود کارایی پیل های سوختی در حضور ورقه های گرافن نیتروژن دار به عنوان کاتالیزور

پیل های سوختی می توانند به طور مستقیم، با بازده بالا و بدون آلودگی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. عوامل متعددی بر تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی در پیلهای سوختی موثر است که از آن جمله واکنش کاهش اکسیژن روی کاتد است. این واکنش یک فرآیند جنبشی کند است و بر عملکرد کلی یک پیل سوختی واکنش کاهش اکسیژن تاثیر دارد و از دو طریق ممکن است انجام شود: یکی مسیر مستقیم چهار الکترونی است که در آن O2 مستقیما بدون دخالت پراکسید هیدروژن به آب کاهش می یابد. دیگری مسیر دو مرحله ای دو الکترونی است که در آن پراکسید هیدروژن به عنوان یک واسطه تشکیل می شود و با کاهش بازده پیل همراه است. برای دستیابی به یک پیل سوختی با بازده بالا، انجام واکنش کاهش اکسیژن از مسیر چهار الکترونی ارجح است. با توجه به اینکه فرآیند واکنش کاهش اکسیژن در طبیعت بسیار کند است، استفاده از کاتالیزورها جهت تسهیل مسیر چهار الکترونی و افزایش کارایی پیل های سوختی لازم است و پلاتین و آلیاژهای آن کاتالیزورهای معروفی در این زمینه اند که به علت قیمت بالا و نیز مسمومیت با CO، استفاده از آنها برای مصارف صنعتی به صرفه نیست. تحقیقات زیادی برای یافتن کاتالیزورهای مناسب به جای پلاتین و آلیاژهای آن در واکنش کاهش اکسیژن انجام شده است. در این تحقیق با استفاده از پارامترهای محاسبه شده NMR و NQR در برخی ورقه های گرافن حاوی نیتروژن (با یک یا دو نیتروژن)، تاثیر اتم نیتروژن بر چگالی بار اتم های کربن بررسی شد. نتایج نشان داد که در حضور نیتروژن، چگالی بار برخی از اتم های کربن کاهش می یابد و این اتم ها به عنوان جایگاه فعال کاتالیزور بهتر از گرافن خالص هستند.