设计微型3D材料的新方法可以提高燃料电池的效率

来自悉尼新南威尔士大学的科学家们展示了一种创造微型3D材料的新技术，最终可以使氢电池等燃料电池更便宜、更可持续。

在发表在《科学进展》杂志上的研究中，新南威尔士大学科学学院化学学院的研究人员表明，有可能在纳米尺度上按顺序“生长”互连的3D层次结构，这些结构具有支持能量转换反应的独特化学和物理特性。

在化学中，层次结构是单元(如分子)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。但是这些结构具有非凡潜力的地方是在超出人眼可见度的水平——纳米级。

使用传统方法，科学家们发现在纳米尺度上用金属部件复制这些3D结构具有挑战性。要了解这些微小的3D材料需要多小——1厘米有10毫米。如果您要在其中的一毫米中计算一百万个微小片段，那么每个片段都是一纳米或纳米。

“迄今为止，科学家们已经能够在微米或分子尺度上组装层次结构，”新南威尔士大学电子显微镜部门主任、该研究的资深作者RichardTilley教授说。“但为了获得纳米级组装所需的精度水平，我们需要开发一种全新的自下而上的方法。”

研究人员使用化学合成，一种从简单化合物构建复杂化合物的方法。他们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10-20纳米的3D层次结构。

由于金属核心和分支的直接连接，由此产生的互连3D纳米结构具有高表面积和高导电性，并且具有可以化学修饰的表面。这些特性使其成为理想的电催化剂载体——一种有助于加快反应速率的物质——在析氧反应中，这是能量转换的关键过程。使用电子显微镜单元提供的最先进电子显微镜的电化学分析检查纳米结构的特性。

“逐步生长材料与我们在微米级组装结构的做法形成鲜明对比，后者是从大块材料开始并将其蚀刻下来，”该研究的主要作者，博士后研究员LucyGloag博士说。新南威尔士大学科学学院化学学院。“这种新方法使我们能够很好地控制条件，这让我们能够将所有组件保持在超小——纳米级——那里存在独特的催化性能。”

在通常为球形的传统催化剂中，大多数原子都卡在球体的中间。表面上的原子很少，这意味着大部分材料都被浪费了，因为它不能参与反应环境。

Tilley教授说，这些新的3D纳米结构旨在将更多原子暴露在反应环境中，这可以促进更高效和有效的能量转换催化。

蒂利教授说：“如果将其用于燃料电池或电池，则催化剂具有更高的表面积意味着在将氢转化为电能时反应将更有效。”

Gloag博士说，这意味着反应需要使用的材料更少。

“它最终也会降低成本，使能源生产更具可持续性，并最终将我们对化石燃料的依赖进一步转移。”

在下一个研究阶段，科学家们将寻求用铂修饰材料的表面，铂是一种优质的催化金属，但价格更高。仅电动汽车的成本中就有大约六分之一是为燃料电池提供动力的铂金。

“这些异常高的表面积将支持像铂这样的材料在单个原子上分层，因此我们在反应环境中绝对最好地利用这些昂贵的金属，”Tilley教授说。