新型纳米纤维：下一代电池开发的关键

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2017-09-18 来源于：江苏纳米创新中心

       如果要设计行驶距离更远的电动汽车，要让更多的家庭使用可再生能源，那么，技术层面的关键在于开发效率高、容量大的能量存储系统。

近日，佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的材料学家制造了一种新型的纳米纤维，有助于提升水电解制氢的效率，实现下一代可充电电池。

这项研究由美国国家科学基金会（National Science Foundation）资助，成果发表在Nature Communications期刊（"A tailored double perovskite nanofiber catalyst enables ultrafast oxygen evolution"），介绍了双钙钛矿纳米纤维的发展。它可以作为快速析氧反应中高效的催化剂——该反应是氢基能源和新型金属-空气电池的基础电化学过程之一。

这是一种20纳米的双钙钛矿纳米纤维，可以作为快速析氧反应中的催化剂，廉价而高效。

“金属-空气电池能够以极小的体积储存大量的能量，在未来有望作为电动汽车的驱动能源，”佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授Meilin Liu表示：“问题在于，缺乏廉价有效的催化剂提升电池的效率。这种新型的催化剂的发明将加速这一进程。”

钙钛矿具有晶体结构，“它独特的晶体结构和成分对于提供电池优秀的活性和耐久性是至关重要的。”Liu表示。

合成过程中，研究人员使用混合物调谐（composition tuning）或称共掺杂（co-doping）技术将催化剂的内在活性提高了4.7倍。在静电纺丝过程中制备的钙钛矿氧化物纤维的直径为约20纳米——这是迄今为止，经报道的电纺丝钙钛矿氧化物纳米纤维的最小直径。

研究人员发现，与现有的催化剂相比，新物质表现出显著增强析氧反应的能力。纳米纤维与最初的粉末催化剂相比，质量归一化催化活性提高了约72倍，甚至是氧化铱的2.5倍——尽管它被认为是现有标准下最先进的催化剂。

催化剂活性增加的部分源于纳米纤维获得的较大表面积，研究人员解释道，将钙钛矿结构合成纳米纤维也增强了其固有活性，同时，作为催化剂时也提高了析氧反应（oxygen evolution reactions，OER）的效率。

他们写道：“这项研究不仅标志着用于析氧反应的高效、耐用的电催化剂的发展，而且提供了纳米结构对固有析氧反应活性影响的深入理解。

此外，除了应用于充电式的金属-空气电池外，新型催化剂在更加高效的燃料电池制造上迈出了重要的一步，这有助于制造可再生能源系统。

“如今，太阳能、风能、地热能等可再生资源的价格变得低廉，然而，麻烦的是它们都是间歇的，”Liu表示：“没风时，就没有办法产生能量，如果我们能够在风能过剩时将多余的电力通过制备氢气的方式储存起来，以便在需要时使用，那它们的价值就很可观了。”

这就是新型纳米纤维催化剂发挥作用的地方。

“能够存储这种能量的电池仍然十分昂贵，”Liu说道：“我们需要一种优良的催化剂提高水电解效率。这种催化剂可以加速水裂解或金属-空气电池中的电化学反应。”

（信息来源：nanowerk.com）