西湖大學/南京工業(yè)大學/香港城市大學：形貌可調(diào)控的在乙醇氧化反應中擁有超長穩(wěn)定性的納米線陣列催化劑

蘇冬萌 | 作者

酥魚 | 編輯

2023年10月10日，西湖大學/南京工業(yè)大學陳虹宇教授團隊，在國際期刊Joule上發(fā)表了一項重要研究成果，題為“Ultralong Durability of Ethanol Oxidation Reaction via Morphological Design”。 該研究設計出一種嶄新的納米線形催化劑，可顯著提高直接乙醇燃料電池的穩(wěn)定性和壽命。果殼硬科技邀請了論文第一作者蘇冬萌撰寫解讀文章。以下為蘇冬萌的分享內(nèi)容。

論文截圖

嘿，聽說過"酒精充電器"嗎？是的，你沒聽錯！科學家正在研究一種電池，它可以直接從乙醇（也就是酒精）中提取能量來產(chǎn)生電。簡單地說，那瓶你的白酒或紅酒可能不只是為了開心了，它未來也有可能為你的手機充電！

這樣的電池不僅聽起來很酷，還很環(huán)保。但這電池有個小毛病：它的“心臟”——催化劑，就像是探險家的鞋子，在探險中很快就會磨損。這個心臟用不了多久就會告疲，經(jīng)常是剛啟動不久就要“休息”了。

所以，為了讓這種“酒精充電器”成為現(xiàn)實，我們最大的挑戰(zhàn)是為它找到一個耐用的心臟。幸好，我們的科學家們從不放棄，他們正努力地讓它的心臟變得更加強大和持久！

好消息是，我們研究團隊發(fā)明了一款全新的、持久的“心臟”——一種由金和鈀制成的納米線催化劑。嗯，說起來有點像是科學小說里的材料，但這東西真的可以讓電池的壽命大大增長。

我們進行了很多實驗，像是探險家在測試新鞋子一樣。我們發(fā)現(xiàn)，這種新的“心臟”讓電池的反應更加穩(wěn)定，并減少了突發(fā)的“心臟病”。

一直以來，為什么電池的心臟會壞，科學家們沒有達成共識。但這次，我們團隊研究出的新型心臟特別穩(wěn)定還有與眾不同的結構，給大家提供了一個很好的機會去研究背后的原因。

這次我們用了一個新招，合成出了一種超細納米線陣列電極并調(diào)整了它的一些參數(shù)。結果發(fā)現(xiàn)，新做的這個心臟不僅動力強勁，而且用的時間也比其他的都要久。真是個大發(fā)現(xiàn)！

超細金鈀核殼納米線陣列電極的垂直站立形貌、其核殼化學結構及其合成思路概念圖。硫化鈉介導的納米線陣列制備方法具有靈活的形貌調(diào)節(jié)能力，這能幫助我們理解形貌對其電催化穩(wěn)定性的影響 | 團隊供圖

金鈀納米線陣列電極的大幅正移的循環(huán)伏安峰電位與其超長穩(wěn)定性成正相關 | 團隊供圖

我們還發(fā)現(xiàn)，改變這種納米線陣列電極的“長相”即形貌，比如它有多長、多密集之類的，能直接影響心臟的動力和持久性。這種通過“變臉”的手段來增強心臟的做法在以前其他的電池中從未用過。

不同形貌調(diào)控手段對Au@Pd NWAs的電化學穩(wěn)定性的影響 | 團隊供圖

為了理解這種新的心臟為何如此好用，我們又用了一個新招，創(chuàng)新地雜糅了兩種測試過程，這幫助我們實現(xiàn)了前所未有的對心臟耐久度的調(diào)節(jié)能力，提供了一個研究催化劑失活本質(zhì)的視角。

消耗導致的峰位移與不同電壓及時間等消耗條件的相關性 | 團隊供圖

基于前面的描述可知，當我們用一種特殊的金和鈀做成的超細線（納米線）來做電池的心臟（催化劑）時，這個心臟能夠用很長時間而不容易壞。它的原因是這種特殊的線能創(chuàng)造出一個濃度的變化，就好比我們在山上和山下呼吸到的空氣不一樣那樣。

這里的濃度變化是這樣的：乙醇（就是酒精）從下往上的量是逐漸減少的，而另一個反應物OH^-（這就是我們這里的“空氣”）從上往下的量也是逐漸減少的。這種細線結構好像給了這些物質(zhì)一個很通暢的路，讓它們能夠自由自在地跑，而且還有足夠的地方給它們跑。

再說得簡單點，就像我們跑步時，如果路上人少，空氣好，我們就能跑得更遠、更快。這種細線做的心臟就提供了這樣一個好環(huán)境，所以它不容易壞。

更厲害的是，因為乙醇的濃度降低了，OH^-（那個“空氣”）就少了。這讓這個心臟更不容易壞，就好比我們運動時，空氣好，我們更不容易累。

這個研究真的太神奇了，它告訴我們，如何巧妙地設計小小的材料，可以讓電池用得更久。相信未來，有了這種技術，我們的電池會變得越來越厲害！

由穩(wěn)定的濃度梯度帶來的三種不同區(qū)域性催化劑失活過程的示意圖示 | 團隊供圖