新南威尔士大学展示设计微型3D材料的新方法 可以提高燃料电池的效率

时间:2023-01-20 14:35:41    来源:盖世汽车

据外媒报道,新南威尔士大学(UNSW)的研究人员展示了一种制造微型3D材料的新技术,最终可以使氢电池等燃料电池的成本更低、更可持续。

(图片来源:新南威尔士大学)


【资料图】

新南威尔士大学理学部化学学院(School of Chemistry at UNSW Science)的研究人员表明,可以在纳米尺度上按顺序“生长”相互连接的3D层次结构。这些结构具有独特的化学和物理特性,可以支持能量转换反应。

从化学上来说,层次结构是分子等单元在其他单元组织中的配置,这些单元本身可能是有序的。在自然界中也可以看到类似的现象,例如花瓣和树枝。但是,在肉眼无法看到的纳米级层面,这些结构具有巨大的潜力。

研究人员发现,使用传统方法,在纳米级金属组件上复制这些3D结构,具有挑战性。想想这些微小的3D材料需要有多小,1 厘米中有10毫米,如果计算其中一毫米中的一百万个微小分段,那每个分段是1纳米。新南威尔士大学电子显微镜部门的负责人Richard Tilley教授表示:“到目前为止,研究人员已经能够在微米或分子级上组装层次结构。但是,为了达到纳米级组装所需的精度水平,需要开发一种全新的自下而上的方法。”

研究人员通过化学合成(利用简单化合物构建复杂化合物)方法,能够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10-20nm的3D层次结构。由此得到的互联3D纳米结构具有高表面积,由于金属核心和分支的直接连接而具有高导电性,并且具有可以化学改性的表面。这些特性使其成为析氧反应(能量转换的关键过程)中理想的电催化剂载体(有助于加快反应速度的物质)。研究人员利用电子显微镜单元(Electron Microscope Unit)提供的先进电子显微镜电化学分析,对纳米结构的性质进行了检测。

新南威尔士大学理学部化学学院的Dr. Lucy Gloag表示:“一步一步地生长材料,与微米级组装结构的方式形成对比,后者从大块材料开始,然后蚀刻下来。通过这种新方法,可以很好地控制条件,将所有组件保持在极小的纳米尺度,提供独特的催化性能。”

燃料电池中的纳米催化剂

传统的催化剂通常是球形的,大多数原子被困在球体的中间。由于表面的原子非常少,大部分材料都被浪费了,因为无法参与反应环境。

新的3D纳米结构设计,将更多的原子暴露在反应环境中,有助于实现更有效的催化能量转换。Tilley教授表示:“如果将其用于燃料电池,催化剂的表面积越大,氢气转化为电能时的反应效率就越高。”

Dr. Gloag表示,这意味着需要用于反应的材料更少。“最终还会降低成本,使能源生产更具可持续性,从而进一步减轻对化石燃料的依赖性。”

下一阶段,研究人员将探讨用铂来对材料表面进行改性。虽然成本较高,但铂是一种良好的催化金属。在一辆电动汽车中,有六分之一的成本源自用于燃料电池的铂。Tilley教授表示:“因为表面积超高,铂之类的材料可以在单个原子上分层,所以研究人员可以在反应环境中充分利用这些昂贵的金属。”

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