美國科學家日前針對可充電的鋅-空氣電池，製造出以碳泡沫為基礎的觸媒，其效能可媲美甚至超越大多數已知觸媒。這種廉價、容易製造又環保的新型碳奈米結構，在氧還原反應(ORR)與氧析出反應(OER)的效率都很好，因此可望在許多應用中取代昂貴的鉑或其他金屬基催化劑，例如燃料電池、金屬-空氣電池、太陽電池或甚至水分解系統。
領導凱斯西儲大學與北德州大學團隊進行這項研究的 Liming Dai指出，ORR及OER是金屬-空氣電池的核心。放電時，來自裝置中集電器的電子會還原氧分子，並使之與溶解於電解液(或來自金屬電極)的金屬結合。充電時的反應則正好相反。雖然鋰和鋅都是目前金屬-空氣電池主要採用的金屬，不過鋅-空氣電池較為便宜，安全性也較高。美中不足的是，雖然這種電池的能量密度為鋰電池的三倍，但還原氧的速度較慢。
為提升 ORR 與 OER 的效率，研究人員積極開發更好的觸媒。到目前為止，大多數的觸媒都是貴金屬(例如白金、釕、銥)及其氧化物。這些金屬所費不貲，妨礙了鋅-空氣電池的商品化。摻氮或磷的奈米碳材(例如奈米碳管或石墨烯)提供了另一種觸媒選擇。
Dai 等人首先以植酸聚合苯胺單體，製造出聚苯胺水凝膠。接著以冷凍乾燥的方式將 3D 水凝膠轉變為氣凝膠，最後脫氧加熱至攝氏 1,000度，形成摻雜氮與磷的 3D 中孔(mesoporous)石墨碳泡沫。
Dai 表示，摻雜了氮和磷之後，ORR與OER的電催化活性大幅提升。孔徑約 2- 50 nm的3D 多孔石墨結構提供大表面積，讓電池中的電解質得以擴散，也讓電子能夠穿過電極，使這種碳泡沫的催化效果不輸昂貴、先進的金屬基觸媒，甚至還更好。
Dai 與其合作者目前正在積極製造掺雜不同異質原子的 3D 石墨碳材，期望將來能用於能源與環境保護用途。詳見近期出刊的Nature Nanotechnology | DOI: 10.1038/nnano.2015.48。
資料來源:奈米科學網
資料來源:http://nanotechweb.org/cws/article/tech/60815
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