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微型3D材料可提高燃料电池效率

发布时间: 2023-01-20 09:24 发布单位: 来源: 科技日报

澳大利亚悉尼新南威尔士大学研究人员展示了一种创造微型3D材料的新技术,最终可使氢电池等燃料电池更便宜、更可持续。近日发表在《科学进展》杂志上的该研究,有可能在纳米尺度上按顺序“生长”互连的3D层次结构,这些结构具有支持能量转换反应的独特化学和物理特性。

在化学中,层次结构是单元(如分子)在其他单元组织中的配置,这些单元本身可能是有序的。在自然界中也可看到类似的现象,例如花瓣和树枝。但是这些结构具有非凡潜力的地方是在超出人眼可见度的纳米级水平。

使用传统方法,科学家们发现在纳米尺度上用金属部件复制这些3D结构具有挑战性。迄今为止,科学家们已能在微米或分子尺度上组装层次结构,但为了获得纳米级组装所需的精度水平,他们需要开发一种全新的自下而上的方法。

研究人员使用从简单化合物构建复杂化合物的化学合成方法,在立方晶体结构的核心上小心地生长六方晶体结构的镍分支,以创建尺寸约为10—20纳米的3D层次结构。

由于金属核心和分支的直接连接,由此产生的互连3D纳米结构具有高表面积和高导电性,并且具有可化学修饰的表面。这些特性使其成为理想的电催化剂载体,有助加快反应速率,在析氧反应中,这是能量转换的关键过程。

研究人员表示,逐步生长材料与在微米级组装结构的做法形成鲜明对比,后者是从大块材料开始并将其蚀刻下来,新方法可以很好地控制条件。

因为在通常为球形的传统催化剂中,大多数原子都卡在球体的中间,表面的原子很少,这意味着大部分材料都被浪费了,它们不能参与反应环境。而新的3D纳米结构经过精心设计,可将更多原子暴露在反应环境中,从而促进更有效的能量转换催化。

【总编辑圈点】

在构建化合物时,科学家如果将所有组件保持在超小纳米级,就能发挥独特的催化性能。本文的成果一旦应用于燃料电池,催化剂也会具有更高表面积。这意味着,在将氢转化为电能时反应将更有效,反应时需要使用的材料也更少。最终,这一技术将帮助人们降低成本,使能源生产更具可持续性。