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廉價碳泡沫可做為良好的電池觸媒

公告類型: 奈米新知
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美國科學家日前針對可充電的鋅-空氣電池,製造出以碳泡沫為基礎的觸媒,其效能可媲美甚至超越大多數已知觸媒。這種廉價、容易製造又環保的新型碳奈米結構,在氧還原反應(ORR)與氧析出反應(OER)的效率都很好,因此可望在許多應用中取代昂貴的鉑或其他金屬基催化劑,例如燃料電池、金屬-空氣電池、太陽電池或甚至水分解系統。

領導凱斯西儲大學與北德州大學團隊進行這項研究的 Liming Dai指出,ORROER是金屬-空氣電池的核心。放電時,來自裝置中集電器的電子會還原氧分子,並使之與溶解於電解液(或來自金屬電極)的金屬結合。充電時的反應則正好相反。雖然鋰和鋅都是目前金屬-空氣電池主要採用的金屬,不過鋅-空氣電池較為便宜,安全性也較高。美中不足的是,雖然這種電池的能量密度為鋰電池的三倍,但還原氧的速度較慢。

為提升 ORR OER 的效率,研究人員積極開發更好的觸媒。到目前為止,大多數的觸媒都是貴金屬(例如白金、釕、銥)及其氧化物。這些金屬所費不貲,妨礙了鋅-空氣電池的商品化。摻氮或磷的奈米碳材(例如奈米碳管或石墨烯)提供了另一種觸媒選擇。

Dai 等人首先以植酸聚合苯胺單體,製造出聚苯胺水凝膠。接著以冷凍乾燥的方式將 3D 水凝膠轉變為氣凝膠,最後脫氧加熱至攝氏 1,000度,形成摻雜氮與磷的 3D 中孔(mesoporous)石墨碳泡沫。

Dai 表示,摻雜了氮和磷之後,ORROER的電催化活性大幅提升。孔徑約 2- 50 nm3D 多孔石墨結構提供大表面積,讓電池中的電解質得以擴散,也讓電子能夠穿過電極,使這種碳泡沫的催化效果不輸昂貴、先進的金屬基觸媒,甚至還更好。

Dai 與其合作者目前正在積極製造掺雜不同異質原子的 3D 石墨碳材,期望將來能用於能源與環境保護用途。詳見近期出刊的Nature Nanotechnology | DOI: 10.1038/nnano.2015.48


原始網站:https://nano.nchc.org.tw/index.php?apps=news&mod=welcome&action=show&gid=1029
譯者/譯者服務單位:洪士傑/奈米科學網特約譯者   責任編輯:蔡雅芝
發布日期: 2015/05/25
發布人員: 王芊樺