來自LANL（洛斯阿拉莫斯國家實驗室）的科學(xué)家們最近研發(fā)了一種含有氮元素的碳納米管催化劑，這種催化劑是迄今為止的所有非稀有金屬催化劑中，在堿性條件下最能激發(fā)氧還原反應(yīng)的材料。而在反應(yīng)物質(zhì)量較大的情況下，這種穩(wěn)定催化劑的催化效率甚至超過公認最高效的鉑金催化劑。此新型催化劑是由世界知名的科學(xué)類雜志自然通訊報道的，它能夠有效地提升鋰空氣電池、鋅空氣電池和堿性燃料電池的效能，方便風(fēng)能和太陽能的應(yīng)用，最終解決混合動力汽車和純電動車的供能問題。
氧的電化學(xué)還原反應(yīng)作為電化學(xué)裝置中的核心過程，直接影響著使用液體或聚合物電解質(zhì)的燃料電池、鋅空氣電池和鋰空氣電池的能量轉(zhuǎn)換和儲存效率。其中鋅空氣電池擁有巨大的開發(fā)前景，因為它的儲能量是鋰離子電池的十倍左右，用作混合動力汽車的能量源或像太陽能、風(fēng)能這類間歇性能源的儲存裝置將非常適合。而阻礙鋅空氣電池大規(guī)模量產(chǎn)的主要原因是缺乏穩(wěn)定高效的氧還原反應(yīng)催化劑，特別是非金屬類的催化劑。
5,000次充放電循環(huán)后，使用新型催化劑和鉑金催化劑的電池中氧化還原反應(yīng)極化對比
最新研發(fā)的含有氮元素的碳納米結(jié)構(gòu)催化劑有效的解決了上述問題，而生成這種材料所需的原材料有三種：作為鐵源和氨腈的醋酸鐵Fe(CH3-COO)2，作為氮源的NCNH2，以及作為碳源的碳納米管（CNT）或微粒（CNP）。這種新型催化劑被命名為N-Fe-CNT/CNP，鐵元素不僅使氧還原反應(yīng)成為可能，并且?guī)椭瓿闪朔磻?yīng)原料的化合過程。N-Fe-CNT/CNP在堿性介質(zhì)中展現(xiàn)出的催化性能，超過了已知所有的碳納米結(jié)構(gòu)催化劑。
雖然此新型催化劑是含有氮元素的碳納米管，但它的生產(chǎn)加工過程并不像同類催化劑那樣成本高且程序繁瑣，只需要把加工必須的化學(xué)試劑和原材料，按比例混合后經(jīng)一些加工工藝就可以獲得，大批量的生產(chǎn)也可以通過這種簡單流程實現(xiàn)，除此之外此催化劑還是一種無毒材料。N-Fe-CNT/CNP在堿性電解質(zhì)中展現(xiàn)出的穩(wěn)定性和催化效能要高過鉑金催化劑，也高過其它種非稀有金屬催化劑，這其中就包括最新研發(fā)的VA-NCNT。N-Fe-CNT/CNP很可能取代鉑金催化劑，并在提高電池組效能方面起到無與倫比的作用。新型催化劑的發(fā)現(xiàn)，幫助科研人員找到了把碳納米結(jié)構(gòu)材料和堿性燃料電池以及鋰/鋅空氣電池聯(lián)系起來的方法，極大程度上推動了實用性鋰/鋅空氣電池的研發(fā)工作，為電動汽車的發(fā)展奠定了動力源基礎(chǔ)。
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