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新纳米材料助力可再生能源

时间:2015-03-13 08:17来源:新材料在线 作者:综合
点击: 次

全球能源消费正以惊人的速度增长。其中三个主要原因是：经济的快速扩张、人口增长和世界各地对能源的愈发依赖。

然而我们日益增长的能源需求与传统化石燃料对人类健康、能源安全和环境�；だ此�，是非常严峻的挑战。据估计，到2050年全球的能源供应将翻一番，因此我们急需研发出新能源以应对这些挑战。

燃料电池通常使用的是昂贵的铂电极，因此无机材料电极或许是一个很实惠的能量安全解决方案。这种燃料电池通过氧化反应，将燃料转化成水来得到电能，可以提供可靠的清洁能源。

氢气可以作为燃料使用。首先，氢原子释放电子得到电子和氢离子。然后电子向正极流动产生电流向外做功，在电子与氢离子和氧气反应时，水是唯一的产物。

这一技术具有极高的能量转换效率，几乎不产生任何污染，并且有大规模应用的可能。不过，反应中至关重要的一步，氧气的还原反应，需要催化剂催化—通常使用的都是铂电极。不过很可惜，由于铂昂贵的价格及在自然中有限的储量，使用铂电极催化反应的电池占据不了多大的市场份额。

使用铂电极的燃料电池是在阿波罗计划中被研发出来的，自其诞生以来，研究人员一直尝试制备出铂合金催化剂，铂与廉价金属的合金。尽管这种合金催化剂中的铂含量不算高，但铂金属的产量还是满足不了大量生产的需要。为了让燃料电池成为一个可靠的大范围的能量来源，我们需要找到一种高效率、低成本、稳定性好的电极。

铂的高成本让电极和爱的“承诺”都异常的昂贵。

我们之前曾报道了基于氮掺杂碳纳米管的低成本无机催化剂，它在燃料电池中的表现比铂更好。氮原子的吸电子能力很强，能更好的催化氧气的还原反应，提升了催化剂的催化性能。这种碳基催化剂能显着地降低燃料电池的成本。不过可惜的是，这种催化剂在酸性环境的催化表现差强人意，然而大部分燃料电池的电解质都是酸性的。

使用介孔碳复合材料能提高表面积，碳纳米管能够增强导电性，先前的研究表明我们的纳米材料催化剂的性能能跟当今最先进的催化剂相当，甚至稳定性还略胜一筹。酸性环境下的碳基催化剂是一次成功的尝试，能促进可靠、耐用燃料电池的产业化。

除了燃料电池方面的应用，这些碳基非金属纳米催化剂也能用作低成本太阳能电池的电极，或是储能电容器，也能应用在水分离系统中，在水中产生燃料。碳基非金属催化剂的广泛应用让我们看到了燃料经济的良好前景，有害排放会越来越少，对铂金属资源的依赖也会越来越小。这些将在不久的将来深刻地影响我们的生活。

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