最近，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的材料科研人員發(fā)明了一種納米纖維，助力下一代充電電池的開發(fā)，并且可以提升電解水裝置制造氫氣的效率。研究發(fā)表于2月27日的《自然通信》雜志，它描述了「雙鈣鈦礦納米纖維」的開發(fā)過(guò)程。這種納米纖維可以作為一種高效催化劑，促進(jìn)超高速的「析氧反應(yīng)」。

可再生能源和能量存儲(chǔ)

能源，是一個(gè)全球性的關(guān)鍵問題，也是科技創(chuàng)新的一個(gè)重要領(lǐng)域。目前，人類已經(jīng)越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向開發(fā)利用可再生的清潔能源，取代之前那些不可再生的傳統(tǒng)能源。

但是，這些可再生能源在自然界中一般是「間歇性和不穩(wěn)定」的，例如風(fēng)能就會(huì)時(shí)有時(shí)無(wú)，時(shí)大時(shí)小。為了更好利用這些能源造福人類，那么我們就要利用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)將這些能源存儲(chǔ)起來(lái)，而電池就是我們就是一種常見的能量存儲(chǔ)設(shè)備。

氫燃料電池和金屬空氣電池

然而，我們今天要介紹的技術(shù)與「氫燃料電池和金屬空氣電池」相關(guān)。它們有別于傳統(tǒng)電池，所以也可稱為“下一代電池”。這些電池具有原材料豐富、安全環(huán)保、能量密度高等一些列的優(yōu)勢(shì)。但是目前，它們尚未進(jìn)行大規(guī)模商用，不少仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

首先，我先簡(jiǎn)單介紹一下這兩種電池。

氫燃料電池

它使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽(yáng)極，氫通過(guò)陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陽(yáng)極。

氫燃料電池原理示意圖

金屬空氣電池

它也是電化學(xué)電池的一種，其氧化劑取自空氣中的氧。按使用的金屬不同，它又被分為鋰空氣電池、鋅空氣電池、鋁空氣電池等。

我們以鋅空氣電池為例說(shuō)明金屬空氣電池的基本原理，它利用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質(zhì)，以金屬鋅為負(fù)極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)。

析氧反應(yīng)

析氧反應(yīng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是指能夠析出氧氣的電化學(xué)反應(yīng)，例如電解水的陽(yáng)極反應(yīng)。無(wú)論在氫燃料電池和金屬空氣電池中，都會(huì)發(fā)生這一電化學(xué)反應(yīng)。

借用佐治亞理工學(xué)院的MeilinLiu教授的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)：

“金屬空氣電池，例如未來(lái)可用于電動(dòng)汽車的那些，能夠在現(xiàn)有電池小得多得空間中存儲(chǔ)很多能量。問題是這些電池缺少一種劃算的催化劑提高其效率。”

所以，尋找一種可以提升析氧反應(yīng)的催化劑，其意義就不言而喻了。

創(chuàng)新發(fā)明

在這項(xiàng)研究中，創(chuàng)新點(diǎn)在于：

研究人員開發(fā)了一種雙鈣鈦礦納米纖維，它可以作為超高速析氧反應(yīng)中的一種高效催化劑。

研究人員之所以選用了鈣鈦礦組成納米纖維作為催化劑材料，因?yàn)樗哂刑厥獾木w結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和構(gòu)成，為應(yīng)用帶來(lái)了更好的活動(dòng)性和持久性。

在合成過(guò)程中，研究人員使用了一項(xiàng)稱為「合成調(diào)諧」或者「共摻雜」的技術(shù)，將催化劑的內(nèi)在活性提高近4.7倍。

研究人員稱，催化活性的提升得益于納米纖維更大的表面積。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)合成為納米纖維后，其內(nèi)在活性得到提升，在析氧反應(yīng)（OER）中的工作效率也相應(yīng)提高。

研究成果

利用靜電紡絲工藝制成的鈣鈦礦氧化物纖維，直徑差不多是20納米。目前為此，這是靜電紡絲工藝制成的最細(xì)的鈣鈦礦氧化物納米纖維。研究人員發(fā)現(xiàn)這種新物質(zhì)，相對(duì)于現(xiàn)有的催化劑，顯著地提升了析氧反應(yīng)的能力。

這種納米纖維的催化活性，比原始的粉末催化劑提升了近72倍，比氧化銥提升了2.5倍，按照目前的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，是一種最先進(jìn)的催化劑。

研究人員在論文中寫道：

“這項(xiàng)工作不僅代表高效和持久的OER電催化劑，而且也深入分析了納米結(jié)構(gòu)對(duì)于內(nèi)在OER活性產(chǎn)生的影響。”

應(yīng)用價(jià)值

除了應(yīng)用于開發(fā)可充電的金屬空氣電池領(lǐng)域，這種新催化劑也為下一步創(chuàng)造更加高效的燃料電池技術(shù)奠定基礎(chǔ)，從而服務(wù)于可再生能源系統(tǒng)。

目前來(lái)說(shuō)，這些電池用于存儲(chǔ)能量，還是十分昂貴。所以，我們需要一種很好的催化劑，讓水的電解反應(yīng)更加高效。這種催化劑可以加速水分解或者金屬空氣電池中的電化學(xué)反應(yīng)。