大力水手成真?菠菜也能为燃料电池提供动力

2020-10-23 12:52:16 大数据文摘

大数据文摘出品

来源:IEEE

编译:lin

大力水手吃菠菜给自己补充能量的画面,应该是每一个爱吃菠菜的小朋友的英雄。

不过,菠菜的能量可不止在动画片里,最近,菠菜真的能为燃料电池供电了!

这也令研究人员感到惊讶,美国大学化学系的Shouzhong Zou和他的团队尝试用菠菜来改善燃料电池的性能时,发现菠菜的供电效果意外的好

在他们的概念验证实验中,他们用从当地超市买来的菠菜制造一种富碳催化剂,可用于燃料电池和金属空气电池。

菠菜被用作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,燃料电池使用的是铂基催化剂,但铂不仅非常昂贵和难以获得,而且在某些条件下容易发生化学中毒。因此,研究人员研究了生物衍生的碳基催化剂来取代铂,但在制备材料的成本效益和无毒方面存在瓶颈。邹说:“我们能买到菠菜有点幸运。”因为菠菜的铁和氮含量很高

“目前,我们的方法确实需要在原料中添加更多氮,因为尽管菠菜一开始就含有很多氮,但在制作过程中,一些氮会流失。”

当然,Zou和他的团队并不是第一个发现菠菜的电化学奇迹的人,尽管其他研究也曾将这种绿叶蔬菜用于其他用途。例如,2014年的一项研究从菠菜中提取活性炭来制造电容器电极,而最近的一篇论文将菠菜基纳米复合材料作为光催化剂。菠菜除了富含铁和氮(这两种元素都是ORRs的必需成分),而且易于种植,而且“比铂金要便宜得多,”Zou补充道。

起初,这种以菠菜为原料的催化剂的制备听起来很像制作一种像奶昔配方,令人存疑,首先将新鲜的叶子洗净,然后磨成汁,然后冷冻干燥,这种冻干的果汁然后被磨成粉末,三聚氰胺加入其中作为氮促进剂。像氯化钠和氯化钾这样的盐很像厨房里用的食盐,这些盐被添加进去,对于形成小孔增加反应的表面积是必要的。纳米薄片是由菠菜-三聚氰胺-盐复合材料在900摄氏度下经过几次热解而制成的。“显然……我们可以优化制备这种材料的方式(使其更高效)。”

一个有效的催化剂意味着一个更快,更有效的反应。就燃料电池而言,这可以增加电池的能量输出。这就是纳米薄片的多孔性起作用的地方。“尽管我们称它们为纳米薄片,”Zou说,“但当它们堆在一起时,就不像一堆坚实的纸了。“盐的添加创造了小孔,让氧气可以穿透材料,而不是只进入外表面。”“我们需要让它具有足够的渗透性,以便……所有活跃的点都可以被利用。”

美国大学研究小组对菠菜青睐有加的另一个因素是,它是一种可再生的生物质资源。“可持续发展是我们考虑的一个非常重要的因素,”Zou说。他补充称,有待探索的一个大问题是,我们如何才能避免“与餐桌上的饭”竞争。(生物燃料生产已经引起人们对粮食作物会从饥饿的肚子转移过来的担忧。)“第二个问题是,我们如何在催化剂制备过程中降低碳足迹……因为目前我们在制备过程中使用了高温。如果我们能找到不同的方法来实现这一点,从而获得相同类型的材料,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,这项研究只是一个原则性的证明。“在谈到实际应用时,我们需要非常小心,因为在(实验室)条件下表现出色的东西,可能会在实际设备中变得更具挑战性。”他还说,另一个需要进一步研究的方面是,尽管菠菜衍生的催化剂在碱性条件下的性能优于铂基催化剂,但在酸性介质中的性能就没有那么高效了。“所以很明显,我们还需要做一些调整,看看他们是否能在一定的pH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:“这是我的实验室目前没有的专业知识。”“我们正在考虑与其他团队合作,或者我们可以在这个领域积累专业知识,因为这是必要的一步。”

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