促进新一代电池的效率提升的新型纳米纤维

最近，美国佐治亚理工学院的材料科研人员发明了一种纳米纤维，助力下一代充电电池的开发，并且可以提升电解水装置制造氢气的效率。研究发表于2月27日的《自然通信》杂志，它描述了「双钙钛矿纳米纤维」的开发过程。这种纳米纤维可以作为一种高效催化剂，促进超高速的「析氧反应」。

可再生能源和能量存储

能源，是一个全球性的关键问题，也是科技创新的一个重要领域。目前，人类已经越来越多地转向开发利用可再生的清洁能源，取代之前那些不可再生的传统能源。

但是，这些可再生能源在自然界中一般是「间歇性和不稳定」的，例如风能就会时有时无，时大时小。为了更好利用这些能源造福人类，那么我们就要利用能量存储系统将这些能源存储起来，而电池就是我们就是一种常见的能量存储设备。

氢燃料电池和金属空气电池

然而，我们今天要介绍的技术与「氢燃料电池和金属空气电池」相关。它们有别于传统电池，所以也可称为“下一代电池”。这些电池具有原材料丰富、安全环保、能量密度高等一些列的优势。但是目前，它们尚未进行大规模商用，不少仍停留在实验室阶段。

首先，我先简单介绍一下这两种电池。

氢燃料电池

它使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。

氢燃料电池原理示意图

金属空气电池

它也是电化学电池的一种，其氧化剂取自空气中的氧。按使用的金属不同，它又被分为锂空气电池、锌空气电池、铝空气电池等。

我们以锌空气电池为例说明金属空气电池的基本原理，它利用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质，以金属锌为负极，以氯化铵或苛性碱溶液为电解质。

析氧反应

析氧反应，简单来说，是指能够析出氧气的电化学反应，例如电解水的阳极反应。无论在氢燃料电池和金属空气电池中，都会发生这一电化学反应。

借用佐治亚理工学院的MeilinLiu教授的观点来说：

“金属空气电池，例如未来可用于电动汽车的那些，能够在现有电池小得多得空间中存储很多能量。问题是这些电池缺少一种划算的催化剂提高其效率。”

所以，寻找一种可以提升析氧反应的催化剂，其意义就不言而喻了。

创新发明

在这项研究中，创新点在于：

研究人员开发了一种双钙钛矿纳米纤维，它可以作为超高速析氧反应中的一种高效催化剂。

研究人员之所以选用了钙钛矿组成纳米纤维作为催化剂材料，因为它具有特殊的晶体结构。这种独特的晶体结构和构成，为应用带来了更好的活动性和持久性。

在合成过程中，研究人员使用了一项称为「合成调谐」或者「共掺杂」的技术，将催化剂的内在活性提高近4.7倍。

研究人员称，催化活性的提升得益于纳米纤维更大的表面积。钙钛矿结构合成为纳米纤维后，其内在活性得到提升，在析氧反应（OER）中的工作效率也相应提高。

研究成果

利用静电纺丝工艺制成的钙钛矿氧化物纤维，直径差不多是20纳米。目前为此，这是静电纺丝工艺制成的最细的钙钛矿氧化物纳米纤维。研究人员发现这种新物质，相对于现有的催化剂，显著地提升了析氧反应的能力。

这种纳米纤维的催化活性，比原始的粉末催化剂提升了近72倍，比氧化铱提升了2.5倍，按照目前的标准来说，是一种最先进的催化剂。

研究人员在论文中写道：

“这项工作不仅代表高效和持久的OER电催化剂，而且也深入分析了纳米结构对于内在OER活性产生的影响。”

应用价值

除了应用于开发可充电的金属空气电池领域，这种新催化剂也为下一步创造更加高效的燃料电池技术奠定基础，从而服务于可再生能源系统。

目前来说，这些电池用于存储能量，还是十分昂贵。所以，我们需要一种很好的催化剂，让水的电解反应更加高效。这种催化剂可以加速水分解或者金属空气电池中的电化学反应。