鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2019年01月14日
促進新一代電池的效率提升的新型納米纖維
最近,美國佐治亞理工學院的材料科研人員發明了一種納米纖維,助力下一代充電電池的開發,并且可以提升電解水裝置制造氫氣的效率。研究發表于2月27日的《自然通信》雜志,它描述了「雙鈣鈦礦納米纖維」的開發過程。這種納米纖維可以作為一種高效催化劑,促進超高速的「析氧反應」。
可再生能源和能量存儲
能源,是一個全球性的關鍵問題,也是科技創新的一個重要領域。目前,人類已經越來越多地轉向開發利用可再生的清潔能源,取代之前那些不可再生的傳統能源。
但是,這些可再生能源在自然界中一般是「間歇性和不穩定」的,例如風能就會時有時無,時大時小。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系統將這些能源存儲起來,而電池就是我們就是一種常見的能量存儲設備。
氫燃料電池和金屬空氣電池
然而,我們今天要介紹的技術與「氫燃料電池和金屬空氣電池」相關。它們有別于傳統電池,所以也可稱為“下一代電池”。這些電池具有原材料豐富、安全環保、能量密度高等一些列的優勢。但是目前,它們尚未進行大規模商用,不少仍停留在實驗室階段。
首先,我先簡單介紹一下這兩種電池。
氫燃料電池
它使用氫這種化學元素,制造成儲存能量的電池。基本原理是電解水的逆反應,把氫和氧分別供給陰極和陽極,氫通過陰極向外擴散和電解質發生反應后,放出電子通過外部的負載到達陽極。
氫燃料電池原理示意圖
金屬空氣電池
它也是電化學電池的一種,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,以金屬鋅為負極,以氯化銨或苛性堿溶液為電解質。
析氧反應
析氧反應,簡單來說,是指能夠析出氧氣的電化學反應,例如電解水的陽極反應。無論在氫燃料電池和金屬空氣電池中,都會發生這一電化學反應。
借用佐治亞理工學院的MeilinLiu教授的觀點來說:
“金屬空氣電池,例如未來可用于電動汽車的那些,能夠在現有電池小得多得空間中存儲很多能量。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的催化劑,其意義就不言而喻了。
創新發明
在這項研究中,創新點在于:
研究人員開發了一種雙鈣鈦礦納米纖維,它可以作為超高速析氧反應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,因為它具有特殊的晶體結構。這種獨特的晶體結構和構成,為應用帶來了更好的活動性和持久性。
在合成過程中,研究人員使用了一項稱為「合成調諧」或者「共摻雜」的技術,將催化劑的內在活性提高近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。鈣鈦礦結構合成為納米纖維后,其內在活性得到提升,在析氧反應(OER)中的工作效率也相應提高。
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的鈣鈦礦氧化物納米纖維。研究人員發現這種新物質,相對于現有的催化劑,顯著地提升了析氧反應的能力。
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,按照目前的標準來說,是一種最先進的催化劑。
研究人員在論文中寫道:
“這項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構對于內在OER活性產生的影響。”
應用價值
除了應用于開發可充電的金屬空氣電池領域,這種新催化劑也為下一步創造更加高效的燃料電池技術奠定基礎,從而服務于可再生能源系統。
目前來說,這些電池用于存儲能量,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反應。
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