新南威爾士大學(xué) | 一種設(shè)計(jì)微型3D材料的新方法可以使燃料電池更高效
指南者留學(xué)
2023-01-18 21:46:40
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<p>新南威爾士大學(xué)悉尼分校的科學(xué)家們展示了一種制造微型3D材料的新技術(shù),這種材料最終可以使氫電池等燃料電池更便宜、更可持續(xù)。</p>
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<p>在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的這項(xiàng)研究中,新南威爾士大學(xué)科學(xué)學(xué)院化學(xué)學(xué)院的研究人員表明,在納米尺度上按順序“生長(zhǎng)”3D相互連接的層次結(jié)構(gòu)是可能的,這些結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì),可以支持能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)。</p>
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<p>在化學(xué)中,層次結(jié)構(gòu)是單位的配置,就像其他單位組織中的分子,這些單位本身可能是有序的。在自然界中也可以看到類似的現(xiàn)象,比如花瓣和樹枝。但這些結(jié)構(gòu)具有非凡潛力的地方是在人眼無(wú)法看到的水平上——在納米尺度上。</p>
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<p>使用傳統(tǒng)方法,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在納米尺度上用金屬組件復(fù)制這些3D結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性。為了理解這些微小的3D材料需要有多小——1厘米有10毫米。如果你在一毫米內(nèi)數(shù)出一百萬(wàn)個(gè)小片段,每一個(gè)都是一納米。</p>
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<p>“到目前為止,科學(xué)家們已經(jīng)能夠在微米或分子尺度上組裝層次型結(jié)構(gòu),”新南威爾士大學(xué)電子顯微鏡部門主任、該研究的高級(jí)作者理查德·蒂利教授說(shuō)。“但為了達(dá)到納米級(jí)組裝所需的精度水平,我們需要開發(fā)一種全新的自下而上的方法。”</p>
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<p>研究人員使用了化學(xué)合成,一種從簡(jiǎn)單化合物構(gòu)建復(fù)雜化合物的方法。他們能夠仔細(xì)地在立方晶體結(jié)構(gòu)的核心上生長(zhǎng)六角形晶體結(jié)構(gòu)的鎳分支,以創(chuàng)建尺寸約為10-20納米的3D層次結(jié)構(gòu)。</p>
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<p><img src="https://newsroom.unsw.edu.au/sites/default/files/styles/full_width/public/thumbnails/image/professor_tilley_and_dr_gloag_using_a_glovebox_2.jpeg?itok=_QmDZvv7" alt="professor tilley and dr gloag using a glovebox" width="563" height="397" /> </p>
<p>Tilley教授和Gloag博士在一個(gè)手套箱旁,當(dāng)合成納米結(jié)構(gòu)時(shí),這個(gè)手套箱被用于反應(yīng)的準(zhǔn)備。照片:提供。</p>
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<p>由此產(chǎn)生的互聯(lián)3D納米結(jié)構(gòu)具有高表面積,由于金屬核心和分支的直接連接,具有高導(dǎo)電性,并且具有可以化學(xué)修飾的表面。這些特性使其成為一種理想的電催化劑載體——一種有助于加速反應(yīng)速率的物質(zhì)——在析氧反應(yīng)中,這是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵過(guò)程。利用電子顯微鏡單元提供的最先進(jìn)的電子顯微鏡進(jìn)行電化學(xué)分析,檢查了納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。</p>
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<p>該研究的主要作者、新南威爾士大學(xué)科學(xué)學(xué)院化學(xué)學(xué)院博士后露西·格洛格博士說(shuō):“一步一步地生長(zhǎng)這種材料,與我們?cè)谖⒚准?jí)組裝結(jié)構(gòu)的方式形成對(duì)比,后者是從大塊材料開始,然后蝕刻下來(lái)。”“這種新方法使我們能夠很好地控制條件,這讓我們保持所有組件的超小——在納米尺度上——這是獨(dú)特的催化性能存在的地方。”</p>
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<p><strong><span class="h1">燃料電池中的納米催化劑</span></strong></p>
<p><br />傳統(tǒng)的催化劑通常是球形的,大多數(shù)原子被困在球體的中間。表面的原子非常少,這意味著大部分材料都被浪費(fèi)了,因?yàn)樗荒軈⑴c反應(yīng)環(huán)境。</p>
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<p>Tilley教授說(shuō),這些新的3D納米結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成將更多的原子暴露在反應(yīng)環(huán)境中,這可以促進(jìn)更高效和有效的能量轉(zhuǎn)換催化。</p>
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<p>Tilley教授說(shuō):“如果它用于燃料電池或電池中,催化劑的表面積更大,這意味著在將氫轉(zhuǎn)化為電能時(shí),反應(yīng)將更有效。”</p>
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<p>閱讀更多:科學(xué)家為電動(dòng)汽車?yán)硐氲墓虘B(tài)電池開發(fā)長(zhǎng)壽命電極材料</p>
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<p>格洛格博士說(shuō),這意味著需要更少的材料用于反應(yīng)。</p>
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<p>“它最終還會(huì)降低成本,使能源生產(chǎn)更具可持續(xù)性,最終進(jìn)一步減少我們對(duì)化石燃料的依賴。”</p>
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<p>在接下來(lái)的研究階段,科學(xué)家們將尋求用鉑來(lái)修飾材料的表面,鉑是一種優(yōu)越的催化金屬,盡管價(jià)格更高。一輛電動(dòng)汽車成本的六分之一是用于燃料電池的鉑。</p>
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<p>Tilley教授說(shuō):“這些異常高的表面積將支持像鉑這樣的材料在單個(gè)原子上分層,所以我們?cè)诜磻?yīng)環(huán)境中絕對(duì)最好地利用這些昂貴的金屬。”</p>
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<p>注:本文由院校官方新聞直譯,僅供參考,不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p>
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