燃料电池如何更高效?菠菜衍生的催化剂了解一下

以菠菜为基础的催化剂可以比传统的铂催化剂更有效地为燃料电池提供动力。当美国大学化学系的邹寿中(音译)和他的团队决定在自己的概念验证实验中使用菠菜来制造一种富碳催化剂,从而帮助改善燃料电池的性能时。更重要的是,实验的结果并没有让他们失望。

具体来说,菠菜在实验中被用作了燃料电池中氧还原反应(ORRs)所需的高性能催化剂的前体。相比之下,传统燃料电池使用的是铂基催化剂,但铂十分稀缺,成本昂贵,而且在某些条件下容易发生化学中毒。因此,研究人员研究了生物衍生的碳基催化剂来取代铂,不过,在制备材料的成本效益和无毒化方面存在瓶颈。

邹寿中表示:

我们能够轻松买到实验所需的材料(菠菜)十分幸运。而且,菠菜的铁和氮含量很高,这正是我们现阶段所需要的。尽管在制作过程中,菠菜中含有的氮会流失一部分,但菠菜易于种植,比铂要便宜得多。

当然,邹寿中并不是第一个发现菠菜的电化学奇迹的人。在此之前,其他研究已经曾将这种绿叶蔬菜用于其他用途。例如,2014 年的一项研究从菠菜中提取活性炭来制造电容器电极,而最近的一篇论文将菠菜基纳米复合材料作为光催化剂。

制备菠菜催化剂的步骤和制作奶昔有点类似,首先将新鲜的叶子洗净,然后磨成汁,然后冷冻干燥。将这种冻干的果汁磨成粉末,再加入三聚氰胺作为氮促进剂,同时还要加入氯化钠和氯化钾,帮助形成小孔增加反应的表面积。

最终的纳米薄片是由菠菜-三聚氰胺-盐复合材料在 900 摄氏度下经过几次热解而制成的。不过,这一流程日后还会进行优化,变得更高效。

一个有效的催化剂意味着一个更快的反应。就燃料电池而言,这可以增加电池的能量输出——这正是纳米薄片的多孔性起作用的地方,氧气可以穿透材料,而不是只停留在外表面。

邹寿中的研究小组对菠菜青睐有加的另一个因素是,菠菜是一种可再生的生物质资源。他说道:

可持续发展是我们考虑的一个非常重要的因素,而且,我们希望避免与餐桌“竞争”菠菜。另外,我们也正在想办法解决催化剂制备过程中产生的碳足迹的问题。因为目前我们在制备过程中使用了高温。如果我们能找到不同的方法来实现这一点,从而获得相同类型的材料,这将减少能源消耗,并显著减少碳足迹。

利用菠菜来提升燃料电池的性能,这听起来振奋人心,但实际上还有很长的路要走。因为,到目前为止,这项研究只是一个原则性的证明。

邹寿中提醒说道:“在谈到实际应用时,我们需要非常小心,因为在实验室条件下表现出色的东西,可能会在实际应用中遇到挑战。另一个需要进一步研究的方面是,尽管菠菜衍生的催化剂在碱性条件下的性能优于铂基催化剂,但在酸性介质中的性能就没有那么高效了。所以,研究小组还要对着一路线进行调整。

来源:雷锋网

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