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《超薄空心纳米笼可降低燃料电池电极铂的使用》

  • 来源专题：可再生能源
  • 编译者： 董璐
  • 发布时间：2015-08-18

  • 一种新的制造技术，可生产铂空心超薄壁纳米笼，可以大大减少在燃料电池等应用中需要提供催化活性的贵金属量。该技术采用基于溶液生产的铂原子尺度层创建中空多孔结构的方法，可以产生催化活性的纳米笼。首先纳米模板层靶的生长，然后钯被蚀刻掉，留下约20纳米的直径，在三和六铂原子薄层之间的纳米笼。

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  • 《这张膜将改变燃料电池》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-03-18
    • 近日，张生与英国曼彻斯特大学诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆爵士等人合作，证实了石墨烯、氮化硼等二维材料具有质子传导性，并进一步发现，把自然界中广泛存在的云母用于燃料电池的高温质子交换膜，比目前商用膜性能更优、更节能环保。这两项研究成果分别发表在世界顶级学术期刊《自然·纳米》与《自然·通讯》上。 自小与“电”结下不解之缘 “我从本科到博士一直读的都是电化学专业，回想起来，我从小就对电特别好奇。”回忆起和电化学结缘，张生娓娓道来。中学时，张生最喜欢的化学实验就是拆开收音机用过的旧电池，把二氧化锰和锌做的电极插入碱性溶液中，就会产生电，让小灯泡亮起来。“现在想来，干电池就是最简单的电化学原理的应用，即将化学能转化为电能，专业术语叫作‘原电池’。” 2005年读研究生时，张生第一次接触到了燃料电池，自此一干就是十几年。“燃料电池是一种很棒的清洁能源技术，不受热力学循环限制，能量转换效率极高，而且燃料电池发电过程的产物只有水，没有碳排放，非常环保。”张生感慨地说，“但当时我国燃料电池研究才刚起步，研发出来的燃料电池成本高，很难实现商业化。” 张生读博士的时候，主要的研究方向就是降低燃料电池成本。他和所在的团队通过碳改性，增加廉价金属用量，达到了和用昂贵的铂金催化剂做电极一样的效果，电极成本极大降低。 在燃料电池中，质子传导性能对于燃料电池能量转化效率非常关键。“当时只有全氟磺酸膜，技术垄断价格高而且不耐高温。燃料电池需要的质子传导膜既要非常薄，还要像一张‘网’一样，孔洞大小只能让质子快速通过且能阻挡反应物氢气的渗透。但当时由于我的知识局限性，还不足以攻克这个难题。”张生解释道。 带着这个遗憾，张生去了美国进行博士后研究，主攻方向是温室二氧化碳的电化学转化利用。在国外学习工作期间，他接触到了更多的材料学、化学、物理等方面的知识，这些新知识拓展了他的视野，但寻找性能更优良的质子传导膜这个难题始终让他念念不忘。 破解提升燃料电池性能难题 张生的执着让他的人生轨迹再次与燃料电池产生交集，优异的研究成果使张生获得欧盟杰出人才计划资助，到英国曼彻斯特大学工作，专心进行质子交换膜的难题研究。 “寻找能够做‘网’的二维材料这件事，说起来容易，但研究过程也是一波三折。”张生说，根据各种文献和之前的研究，他们找到了石墨烯这种二维材料，本以为找到了一张合适的“网”，但事实证明，这条路才刚刚开始。石墨烯材料是由碳的六元环结构组成的，十分不稳定，需要以铜片为基底才能稳定成石墨烯膜。但是铜不能让质子通过，因此还需要把稳定的石墨烯从铜片上转移下来。 “整整半年时间，我们实验了热压、冷压等二十多种方法，但由于界面作用没那么强，转移过程中石墨烯膜都破损严重。”回忆起当时的情形，张生至今难忘，“我当时的心情，和曼彻斯特的冬天一样，见不到阳光。”通过总结失败的方案，张生调整思路，最终找到一种胶增加了界面强度，实现了石墨烯膜的完美转移。 然而石墨烯膜并没有解决耐高温的问题，回国后，张生又找到和石墨烯结构相近一些材料，但都存在各种问题。直到云母材料的出现，让张生如获至宝。“云母在地壳中储量极其丰富且价格低廉，使用云母制备的云母质子膜可以满足各种条件，而且使用温度可以从100℃延伸到500℃。”张生介绍说，云母膜质子传导率超过了目前商业化要求的两倍，应用于燃料电池后，未来电动汽车的行驶里程将会有很大提高。 “我们发展燃料电池这一清洁能源技术的初衷之一是减少碳排放，而更好地减少碳排放的办法是把二氧化碳变废为宝。”依托天津大学化学学院绿色合成与转化教育部重点实验室，张生通过反向利用燃料电池的能量转化原理，通过电能打开二氧化碳的碳氧分子键，加入氢将二氧化碳有选择性地转化为甲酸、乙烯和乙醇等有用的物质。 “虽然这项研究难度很大，但是做科研需要迎难而上的精神，我相信通过努力，我们的团队一定能开发出通过电化学途径转化二氧化碳这样一种清洁能源技术。”面对未来，张生充满信心。
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  • 《对石墨烯纳米晶体的新研究，对下一代燃料电池进行了研究。》
    • 来源专题：人类遗传资源和特殊生物资源流失
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2017-09-20
    • 一项新的研究解释了一层超薄的氧化物层(以红色表示的氧原子)涂层石墨化镁纳米颗粒(橙色)仍然允许氢原子(蓝色)的氢存储应用。(来源:伯克利实验室) 由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)开发的一种金属纳米晶体混合在一起的金属纳米晶体，显示了安全储存氢用于乘用车和其他用途的燃料电池的承诺。现在，一项新的研究提供了对晶体超薄涂层的原子细节的深入了解，以及它如何作为选择性的屏蔽，同时提高了它们在氢储存方面的性能。 这项由伯克利实验室的研究人员领导的研究，利用了一系列的实验室技术和能力来合成和涂层镁晶体，这些晶体的尺寸仅为3-4纳米(一米的十亿分之一米);用x射线研究他们的纳米级化学成分;并开发计算机模拟和支持理论，以更好地了解晶体和它们的碳涂层是如何相互作用的。 科学研究小组的发现可以帮助研究人员理解类似的涂料也能提高其他材料的性能和稳定性，而这些材料对氢存储应用的前景是有希望的。这个研究项目是一个多实验室的研究成果之一，它是由美国能源部燃料电池技术办公室在能效和可再生能源办公室的能源材料网络中建立的氢材料高级研究联盟(HyMARC)的一部分。 减少石墨烯氧化物(或rGO)，它类似于更著名的石墨烯(一种扩展的碳原子，只有一种原子厚，排列在蜂窝模式中)，它有纳米级的孔，可以让氢通过，同时保持较大的分子。 这种碳包装的目的是为了防止镁——它被用作一种氢储存材料——与它的环境发生反应，包括氧气、水蒸气和二氧化碳。这样的接触可能会产生一层厚厚的氧化层，从而阻止进入的氢进入镁表面。 但最新的研究表明，在晶体的制备过程中，一层原子层的氧化层形成了。更令人惊讶的是，这个氧化物层似乎并没有降低材料的性能。 “以前，我们认为这些材料得到了很好的保护，”Liwen Wan说，他是伯克利实验室的分子铸造公司的博士后研究人员，他是美国能源部的纳米科学研究中心，他是这项研究的主要作者。这项研究发表在纳米快报杂志上。“从我们的详细分析中，我们看到了一些氧化的证据。” 万还补充说:“大多数人会怀疑氧化层对储存氢气来说是个坏消息，在这种情况下，事实可能并非如此。如果没有氧化层，减少的石墨烯氧化物与镁的相互作用就会很弱，但是在氧化层中，碳镁的结合似乎更强。 她说:“这是一种好处，它最终能增强碳涂层所提供的保护。”“似乎没有任何负面影响。” David Prendergast是分子铸造理论中心的主任，也是该研究的参与者。他指出，目前的氢燃料汽车使用压缩氢气来驱动燃料电池引擎。他说:“这需要笨重的圆柱形坦克来限制这种汽车的行驶效率。”他还说，纳米晶体提供了一种可能性，即通过将氢储存在其他材料中，来消除这些笨重的坦克。 这项研究也证明了薄层的氧化层并不一定会阻碍这种材料吸收氢气的速度，这在你需要快速补充燃料的时候是很重要的。这一发现也出乎人们的意料，因为传统的理解是，在这些储氢材料中，通常会起到阻止作用的作用。 这意味着在燃料储存和供应环境中包裹的纳米晶体，在相同的压力下，能够以比可能的密度高得多的密度在压缩氢气燃料罐中吸收泵入的氢气。 想要解释这些实验数据的模型表明，在晶体周围形成的氧化层在原子层上是很薄的，并且随着时间的推移而稳定，这表明氧化过程没有进展。 这一分析的部分原因是在伯克利实验室的高级光源(ALS)的实验中进行的，这是一种叫做同步加速器的x射线源，早期用于探索纳米晶体如何实时与氢气相互作用。 万说，这项研究的一个关键是通过模拟对氧化层假设的原子模型的x射线测量来解释ALS x射线的数据，然后选择那些最符合数据的模型。她说:“从那时候我们就知道了这些材料到底是什么样子的。” 万说，虽然许多模拟都是基于非常纯净的材料，表面有干净的表面，但在这种情况下，模拟的目的是更能代表纳米晶体的真实世界的不完美。 下一步，在实验和模拟中，都是使用更理想的材料，用于真实的氢存储应用，万说，比如复杂的金属氢化物(氢金属化合物)，这些材料也会被包裹在石墨烯的保护层中。 万说:“通过使用复杂的金属氢化物，你可以从本质上获得更高的储氢能力，我们的目标是在合理的温度和压力下实现氢气的吸收和释放。” 这些复杂的金属氢化物材料是相当耗时的，而且研究小组计划在伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)使用超级计算机进行这项工作。 万说:“既然我们对镁纳米晶体有了很好的了解，我们就知道我们可以将这种能力转移到其他材料上，以加速发现过程。” 先进的光源、分子铸造和国家能源研究科学计算中心是能源部的科学用户机构。 这项工作得到了美国能源部能源效率办公室和可再生能源燃料电池技术办公室的支持。 劳伦斯伯克利国家实验室通过推进可持续能源、保护人类健康、创造新材料、揭示宇宙的起源和命运，解决了世界上最紧迫的科学挑战。成立于1931年的伯克利实验室的科学专家已经获得了13个诺贝尔奖。加州大学为美国能源部的科学办公室管理伯克利实验室。 ——2017年9月14日
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