新型納米纖維：促進新一代電池的效率提升！

導讀

最近，美國喬治亞理工學院的材料科研人員發明了一種納米纖維，助力下一代充電電池的開發，並且可以提升電解水裝置製造氫氣的效率。研究發表於2月27日的《自然通信》雜誌，它描述了「雙鈣鈦礦納米纖維」的開發過程。這種納米纖維可以作為一種高效催化劑，促進超高速的「析氧反應」。

可再生能源和能量存儲

能源，是一個全球性的關鍵問題，也是科技創新的一個重要領域。目前，人類已經越來越多地轉向開發利用可再生的清潔能源，取代之前那些不可再生的傳統能源。

但是，這些可再生能源在自然界中一般是「間歇性和不穩定」的，例如風能就會時有時無，時大時小。為了更好利用這些能源造福人類，那麼我們就要利用能量存儲系統將這些能源存儲起來，而電池就是我們就是一種常見的能量存儲設備。

氫燃料電池和金屬空氣電池

然而，我們今天要介紹的技術與「氫燃料電池和金屬空氣電池」相關。它們有別於傳統電池，所以也可稱為「下一代電池」。這些電池具有原材料豐富、安全環保、能量密度高等一些列的優勢。但是目前，它們尚未進行大規模商用，不少仍停留在實驗室階段。

首先，我先簡單介紹一下這兩種電池。

• 氫燃料電池

它使用氫這種化學元素，製造成儲存能量的電池。基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陽極。

氫燃料電池原理示意圖

（圖片來源：維基百科）

• 金屬空氣電池

它也是電化學電池的一種，其氧化劑取自空氣中的氧。按使用的金屬不同，它又被分為鋰空氣電池、鋅空氣電池、鋁空氣電池等。

我們以鋅空氣電池為例說明金屬空氣電池的基本原理，它利用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質，以金屬鋅為負極，以氯化銨或苛性鹼溶液為電解質。

析氧反應

析氧反應，簡單來說，是指能夠析出氧氣的電化學反應，例如電解水的陽極反應。無論在氫燃料電池和金屬空氣電池中，都會發生這一電化學反應。

借用喬治亞理工學院的 Meilin Liu 教授的觀點來說：

「金屬空氣電池，例如未來可用於電動汽車的那些，能夠在現有電池小得多得空間中存儲很多能量。問題是這些電池缺少一種划算的催化劑提高其效率。」

所以，尋找一種可以提升析氧反應的催化劑，其意義就不言而喻了。

創新發明

（圖片來源：喬治亞理工學院）

在這項研究中，創新點在於：

研究人員開發了一種雙鈣鈦礦納米纖維，它可以作為超高速析氧反應中的一種高效催化劑。

研究人員之所以選用了鈣鈦礦組成納米纖維作為催化劑材料，因為它具有特殊的晶體結構。這種獨特的晶體結構和構成，為應用帶來了更好的活動性和持久性。

在合成過程中，研究人員使用了一項稱為「合成調諧」或者「共摻雜」的技術，將催化劑的內在活性提高近4.7倍。

研究人員稱，催化活性的提升得益於納米纖維更大的表面積。鈣鈦礦結構合成為納米纖維后，其內在活性得到提升，在析氧反應（OER）中的工作效率也相應提高。

研究成果

（圖片來源：喬治亞理工學院）

利用靜電紡絲工藝製成的鈣鈦礦氧化物纖維，直徑差不多是20納米。目前為此，這是靜電紡絲工藝製成的最細的鈣鈦礦氧化物納米纖維。研究人員發現這種新物質，相對於現有的催化劑，顯著地提升了析氧反應的能力。

這種納米纖維的催化活性，比原始的粉末催化劑提升了近72倍，比氧化銥提升了2.5倍，按照目前的標準來說，是一種最先進的催化劑。

研究人員在論文中寫道：

「這項工作不僅代表高效和持久的OER電催化劑，而且也深入分析了納米結構對於內在OER活性產生的影響。」

應用價值

除了應用於開發可充電的金屬空氣電池領域，這種新催化劑也為下一步創造更加高效的燃料電池技術奠定基礎，從而服務於可再生能源系統。

目前來說，這些電池用於存儲能量，還是十分昂貴。所以，我們需要一種很好的催化劑，讓水的電解反應更加高效。這種催化劑可以加速水分解或者金屬空氣電池中的電化學反應。

參考資料

【1】http://www.rh.gatech.edu/news/588498/new-nanofiber-marks-important-step-next-generation-battery-and-water-electrolysis

【2】Bote Zhao, Lei Zhang, Dongxing Zhen, Seonyoung Yoo, Yong Ding, Dongchang Chen, Yu Chen, Qiaobao Zhang, Brian Doyle, Xunhui Xiong, Meilin Liu. A tailored double perovskite nanofiber catalyst enables ultrafast oxygen evolution. Nature Communications, 2017; 8: 14586 DOI: 10.1038/ncomms14586

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