设计微小3D材料的新方法可以使燃料电池更高效

来自新南威尔士大学悉尼分校的科学家展示了一种创造微小3D材料的新技术，最终可以使氢电池等燃料电池更便宜，更可持续。

在发表在 科学进展，新南威尔士大学科学学院的研究人员表明，可以按顺序“增长”互连。 层次结构 在纳米级的3D中，具有独特的化学和 物理性质 支持能量转换反应。

在化学中，层次结构是其他单元组织内分子等单元的配置，这些单元本身可能是有序的。类似的现象可以在 自然世界，就像花瓣和树枝一样。但是，这些结构具有非凡潜力的地方超出了人眼的可见度 - 在纳米尺度上。

使用传统方法，科学家们发现在纳米尺度上用金属部件复制这些3D结构具有挑战性。了解这些微小的3D有多小 材料 需要——在一厘米中，有 10 毫米。如果你只用一毫米来计算一百万个微小的片段，那么每一个都是一纳米或纳米。

“迄今为止，科学家们已经能够在微米或分子尺度上组装分层结构，”新南威尔士大学电子显微镜部门主任，该研究的资深作者Richard Tilley教授说。“但为了获得在纳米尺度上组装所需的精度水平，我们需要开发一种全新的自下而上的方法。

研究人员使用 化学合成，一种从简单的化合物构建复杂化合物的方法。他们能够在立方晶体结构的核心上小心翼翼地生长六方晶体结构镍分支，以创建尺寸约为10-20纳米的3D分层结构。

由此产生的互连3D纳米结构具有 高表面积，由于金属芯和分支的直接连接而具有高导电性，并且具有可以化学改性的表面。这些特性使其成为氧析出反应中理想的电催化剂载体(一种有助于加快反应速率的物质)，析氧反应是能量转换的关键过程。使用电子显微镜单元提供的最先进的电子显微镜的电化学分析检查纳米结构的性质。

“逐步生长材料与我们在微米级组装结构的做法形成鲜明对比，后者始于 散装物料 并蚀刻下来，“该研究的主要作者，新南威尔士大学化学学院博士后Lucy Gloag博士说。“这种新方法使我们能够对条件进行出色的控制，这使我们能够将所有组分保持在纳米级的超小范围内，其中存在独特的催化特性。

燃料电池中的纳米催化剂

在通常是球形的传统催化剂中，大多数原子卡在球体的中间。表面上的原子很少，这意味着大部分材料被浪费了，因为它不能参与反应环境。

Tilley教授说，这些新的3D纳米结构经过精心设计，可将更多的原子暴露在反应环境中，从而促进更有效的能量转换催化。

“如果将其用于燃料电池或电池，则具有更高的催化剂表面积意味着在将氢气转化为电能时反应将更有效，”Tilley教授说。

Gloag博士说，这意味着用于反应所需的材料更少。

“它最终也将降低成本，使能源生产更具可持续性，并最终使我们的依赖进一步远离化石燃料。

在下一个研究阶段，科学家们将寻求用铂来改变材料的表面，铂是一种优越的催化金属，虽然更昂贵。仅电动汽车成本的六分之一左右就是为燃料电池提供动力的铂金。

“这些异常高的表面积将支持像铂这样的材料分层 单个原子，因此我们在反应环境中绝对可以最好地利用这些昂贵的金属，“Tilley教授说。

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