化学家将菠菜作为更好,更便宜的电池催化剂

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当我们希望在可持续和经济上为明天的设备提供动力时,开发更好,更清洁的电池技术的研究正在进行大量研究。表现出特殊的诺言是燃油电池和金属空气电池技术。尽管两者都继续使用当前电池的阳极/阴极/电解质范式进行操作,但该竞赛仍在寻找更多可持续的材料,这些材料可以替代当前使用的材料。一项发表在美国化学学会开源杂志ACS Omega上的新研究提出,一种解决方案可能是Popeye最喜欢的超级食品:菠菜。

电池使用时的能量流,排放credit:vectormine/shutterstock/big Think

电子从一个电极(称为阳极)通过电池的电解质(粉末或液体屏障)传播到另一个称为阴极的电极。阳极通过称为氧化的化学过程释放这些电子,而阴极通过另一个接受它们的氧还原反应接受它们。一起,这种交换称为“氧化还原”。

但是,电子回到阳极的返回旅行需要由外部设备提供的“负载”,这很好,因为该设备(例如,手电筒,电话或汽车)以由电池的电子通过。

电子从阴极的正端子传播到设备,然后返回电池的负阳极端子。通过这种方式,能量可以在电池磁盘电路围环上行驶。 (充电电池充电时,电子朝着相反的方向连接到充电器。)

这项新研究与产生阴极还原反应的催化剂有关。

图片来源:Alexlmx/Shutterstockfuel电池电池和金属空气电池使用电池外的周围空气作为阴极。它很干净,免费,丰富,并且只要有一个催化剂可以充分提示必要的减少氧气反应。

此类电池最常用的催化剂是基于白金的。但是,这些问题有问题。当然,铂金很贵。另外,正如研究所指出的那样,“缺乏长期稳定性以及甲醇和一氧化碳等各种化学物质的表面中毒的脆弱性,要求开发非PPT基团金属(NPGM)催化剂。”

因此,研究人员一直在探索无毒的,基于碳的催化剂替代品,因为它们可能更稳定,并且表现出对表面中毒的抵抗力。而且由于碳无处不在,所以它们的生产价格便宜。但是,正在研究的某些材料和基于铂金的催化剂不做这项工作。他们产生的化学反应很慢,在电子流中构成了速度瓶颈。

学分:Liu等/acs Omega 2020,5,38,24367-24378

美国大学化学系的Shouzhong Zou是该论文的高级作者。首席作者是小刘,与Wenyue Li合着。 Zou教授报告:

“我们测试的方法可以从菠菜中产生高度活跃的碳催化剂,这是一种可再生生物量。实际上,我们认为它在活动和稳定性方面都优于商业铂催化剂。催化剂可能适用于氢燃料电池和金属空气电池。”

虽然其他催化剂研究涉及米饭和香尾等植物,但Zou认为菠菜具有一些使其成为催化剂材料的优越候选者。一方面,它富含铁和氮,都是必需的催化剂成分。此外,它很容易成长,而且很丰富。该过程很复杂,是基本技术和先进技术的组合。

首先,研究人员将蔬菜洗净,榨汁和冷冻干燥,然后用砂浆和杵将其手工研磨成细粉。接下来,将菠菜粉溶解并与三聚氰胺,氯化钠和氯化钾混合在水中,并在120°C一起煮熟。然后将该混合物快速冷却在液氮中并冷冻干燥。然后是两次镀金。

很可能值得付出努力。所得纳米片的测量表明,它可以在速度和稳定性上以催化剂的形式超过铂。当然,这是由如此谦虚,廉价且广泛使用的植物制成的。

祖说:“这项工作建议可以为减少自然资源的氧气反应而制造可持续的催化剂。” Zou和他的学生的下一步是在原型燃料电池中尝试菠菜催化剂,以评估其在作用中的性能。他们还在研究将其他植物材料用于催化剂。

最后,Zou可以理解地希望开发一种简单,能源较低的方法来制作其催化剂纳米片。

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