上方“IEEE电气电子工程师”即可订阅公众号。网罗全球科技前沿动态，为科研创业打开脑洞。

Photo:iStockphoto

当美国大学化学系的ShouzhongZou和他的团队决定尝试菠菜来改善燃料电池的性能时，他们甚至也对其效果感到非常惊讶--这是一种可以在当地的任意超市里买到的用来做燃料电池的金属催化剂。

菠菜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。传统上，燃料电池都使用铂基催化剂，但铂不仅价格昂贵且难以获得，而且在一定条件下容易发生化学中毒。因此，研究人员已经开始研究生物量衍生的碳基催化剂来取代铂，但在以成本效益和无毒的方式制备材料方面存在瓶颈。“我们非常幸运地选择了菠菜，”Zou说，“因为它的铁和氮含量高。在这一点上（我们的方法）确实要求我们在起始原料中多加一点氮，因为即使（菠菜）一开始就有很多氮，但在制备过程中，这些氮也会流失掉一部分。”

当然，Zou和他的团队并不是第一个发现菠菜的电化学奇观的人，尽管其他的研究已经将这些绿叶蔬菜用于了其他用途。例如，2014年的一项研究发现可以从菠菜中提取活性炭来制造电容电极，而最近的一篇论文则将菠菜基纳米复合材料作为光催化剂。Zou补充说，菠菜除了富含铁和氮（这两种都是ORRs所必需的）之外，还很容易种植，而且“绝对比铂便宜”。

这种以菠菜为原料的催化剂的制备听起来像是一个令人怀疑的配方：首先清洗新鲜的叶子，粉碎成果汁，冷冻干燥。然后将这种冻干果汁磨成粉末，在粉末中加入三聚氰胺作为氮促进剂。像氯化钠和氯化钾这样的盐类“非常像我们厨房里使用的食盐，”Zou说，这些盐也是用来制造毛孔以增加反应表面积所必需的。纳米片是由菠菜-三聚氰胺-盐复合物在900摄氏度下热解几次制成的。“显然……我们可以优化这种材料的制备方法（以提高其效率）。”

高效催化剂意味着反应更快、更有效。就燃料电池而言，这可以增加电池的能量输出。这就是纳米薄片的孔隙率先起作用的地方。“尽管我们称之为纳米薄片，”Zou说，“当它们堆叠在一起时，并不像是一堆非常坚固的纸。通过添加盐来制造微小的孔，使氧气能够穿透材料，而不是只接触到外层表面。我们需要使它足够多孔，以便……所有的活性位点都能被利用。”

另一个让美国大学团队对菠菜青睐的因素是菠菜是一种可再生的生物质资源。“可持续性是我们考虑的一个非常重要的因素，”Zou说。他补充道，要探讨的一个大问题是，我们如何避免“与餐桌”竞争。（生物燃料生产已经引起了人们对粮食作物从饥饿的嘴里转移的担忧。）“第二个问题是，我们如何在催化剂制备方面降低碳足迹……因为目前我们在制备过程中确实使用了高温？……如果我们能找到不同的方法来实现同一类型的材料，这将减少能源消耗并显著减少碳足迹。”

尽管结果很有希望，但还有很长的路要走。Zou提醒说，到目前为止的研究只是一个原则性的证明。“我们在谈论实际应用时需要非常小心，因为在[实验室]条件下表现出优异性能的东西，当我们在实际设备中实现时，可能会变得更具挑战性。”他补充道，另一个需要进一步研究的方面是，虽然菠菜衍生催化剂的性能优于铂基催化剂在碱性条件下，在酸性介质中的性能不那么有效。“所以很明显，我们还需要进行一些调整，看看它们是否能在一定的pH值范围内工作。”

一个完整的原型显然是下一步在燃料电池中测试从菠菜中提取的催化剂。Zou承认：“这是我目前实验室所没有的专业知识。我们正在考虑与其他组织合作，或者我们可以在这方面积累我们的专业知识，因为这是必要的一步。”

往期推荐

IEEE（电气电子工程师学会）2020年度选举结果揭晓

10-13IEEE

招聘|IEEEClientServicesManagerChina-Location:Beijing

11-02IEEE北京代表处

自动水下航行器如何保护海洋（和潜水员）

10-09IEEETransmitter

医院可使用为太空机器人设计的电池（视频）

10-19IEEETransmitter

阅读原文

了解更多详情

版权申明: 本站文章来源于网络或网友自行上传，如果有侵权行为请联系站长及时删除。