微型3D材料可提高燃料電池效率

澳大利亞雪梨新南威爾士大學研究人員展示了一種創造微型3D材料的新技術，最終可使氫電池等燃料電池更便宜、更可持續。近日發表在《科學進展》雜誌上的該研究，有可能在奈米尺度上按順序“生長”互連的3D層次結構，這些結構具有支援能量轉換反應的獨特化學和物理特性。

在化學中，層次結構是單元（如分子）在其他單元組織中的配置，這些單元本身可能是有序的。在自然界中也可看到類似的現象，例如花瓣和樹枝。但是這些結構具有非凡潛力的地方是在超出人眼可見度的奈米級水準。

使用傳統方法，科學家們發現在奈米尺度上用金屬部件複製這些3D結構具有挑戰性。迄今為止，科學家們已能在微米或分子尺度上組裝層次結構，但為了獲得奈米級組裝所需的精度水準，他們需要開發一種全新的自下而上的方法。

研究人員使用從簡單化合物構建複雜化合物的化學合成方法，在立方晶體結構的核心上小心地生長六方晶體結構的鎳分支，以創建尺寸約為10—20奈米的3D層次結構。

由於金屬核心和分支的直接連接，由此産生的互連3D奈米結構具有高表面積和高導電性，並且具有可化學修飾的表面。這些特性使其成為理想的電催化劑載體，有助加快反應速率，在析氧反應中，這是能量轉換的關鍵過程。

研究人員表示，逐步生長材料與在微米級組裝結構的做法形成鮮明對比，後者是從大塊材料開始並將其蝕刻下來，新方法可以很好地控制條件。

因為在通常為球形的傳統催化劑中，大多數原子都卡在球體的中間，表面的原子很少，這意味著大部分材料都被浪費了，它們不能參與反應環境。而新的3D奈米結構經過精心設計，可將更多原子暴露在反應環境中，從而促進更有效的能量轉換催化。

【總編輯圈點】

在構建化合物時，科學家如果將所有組件保持在超小奈米級，就能發揮獨特的催化性能。本文的成果一旦應用於燃料電池，催化劑也會具有更高表面積。這意味著，在將氫轉化為電能時反應將更有效，反應時需要使用的材料也更少。最終，這一技術將幫助人們降低成本，使能源生産更具可持續性。