凱斯西儲大學和北德克薩斯大學的研究人員已經(jīng)制造出他們認為是第一種無金屬雙功能電催化劑，其性能與鋅空氣電池中的大多數(shù)金屬和金屬氧化物電極相當或更好。
預計鋅空氣電池比移動電話和筆記本電腦中常見的鋰離子電池更安全，更輕，更便宜，更強大和耐用，并且越來越多地用于混合動力和電動汽車。
這種碳基催化劑在氧還原反應和析氧反應中都有效，使電池可充電。與大多數(shù)替代材料相比，催化劑價格低廉，易于制造且更具生態(tài)性。
該研究發(fā)表在Nature Nanotechnology的在線版上。
“使用電池，成本始終是一個問題，無金屬催化劑可以降低成本，同時提高性能，”Case Western Reserve大學高分子科學與工程教授，該研究的高級作者Liming Dai說。“這些電池可用于計算機，數(shù)據(jù)站，照明 - 現(xiàn)在可以使用任何電池。”
戴先生曾與Case Western Reserve博士后張金濤合作，他曾進行過實驗工作; 和北德克薩斯大學的材料科學與工程教授夏振海和博士生趙正航進行了理論模擬。
鋅空氣電池將空氣中的氧氣與液體堿性電解液中的鋅混合，產(chǎn)生電荷。電池的能量密度是鋰離子電池的三倍，但一直很低迷。為了解決這個問題，研究人員正在尋找不同的催化劑材
該催化劑是穩(wěn)定的碳氣凝膠或泡沫，其孔徑為2至50納米，提供了巨大的表面積和電池電解質擴散的空間。
研究人員遵循斯坦福大學科學家于2012年發(fā)布的泡沫制造程序。他們將有機化合物苯胺的分子聚合成植酸溶液中的長鏈，然后將三維水凝膠冷凍干燥成氣凝膠。
“我們所做的就是對三維結構進行碳化處理，將其改為石墨碳材料，”張說。
為此，研究人員在沒有氧氣的情況下將氣凝膠加熱到1000攝氏度。這一過程稱為熱解，引起熱化學反應，將泡沫轉變?yōu)槭W(wǎng)絡，許多石墨烯邊緣被證明對催化至關重要。
“這是一個低成本，一步到位，可擴展的過程，”戴說。“電催化劑產(chǎn)生的成本與更昂貴的材料相當或更好。”
苯胺用氮氣注入或摻雜泡沫，這增強了氧還原反應。植酸使泡沫中含有磷。“氮和磷的共同摻雜增強了氧氣還原和氧氣釋放反應，正如第一性原理計算所證實的那樣，”Xia說。
在比較中，碳泡沫在初級或非可充電電池和可充電電池中的性能與昂貴的鉑/金屬氧化物基催化劑相當或超過。并且，它具有更好的長期穩(wěn)定性。
碳泡沫也與大多數(shù)先前報道的無金屬催化劑相匹配或表現(xiàn)優(yōu)異，甚至最近開發(fā)的金屬碳基催化劑也是如此。
展望未來，戴的團隊已開始進一步優(yōu)化工藝，同時還研究了其他共摻雜不同元素的石墨碳材料，以便在其他能源和環(huán)境技術中使用。
Dai的實驗室之前開發(fā)的碳基催化劑的性能與堿性和酸性燃料電池以及染料敏化太陽能電池中使用的更昂貴的金屬基催化劑相當或更好。
“也許是時候在商用設備上推出無金屬催化劑，”戴說。