斯坦福大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種電催化機(jī)制，其作用類似于哺乳動物的肺，將水轉(zhuǎn)化為燃料。他們于12月20日在Joule期刊上發(fā)表的研究報(bào)告可以幫助現(xiàn)有的清潔能源技術(shù)更有效地運(yùn)行。

吸入和呼出的行為對于大多數(shù)生物來說是如此自動，以至于它可能被誤認(rèn)為是簡單的，但哺乳動物呼吸過程實(shí)際上是自然界中發(fā)現(xiàn)的雙向氣體交換最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。每次呼吸時(shí)，空氣都會通過肺部微小的通道狀細(xì)支氣管，直至到達(dá)稱為肺泡的小囊。從那里，氣體必須進(jìn)入血液而不僅僅是擴(kuò)散，這將導(dǎo)致形成有害氣泡。這是肺泡的獨(dú)特結(jié)構(gòu)-包括一個(gè)微米厚的膜，可以排斥內(nèi)部的水分子，同時(shí)吸引它們在外表面-這可以防止這些氣泡形成，并使氣體交換高效。

高級作者YiCui在斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系的實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家從這一過程中汲取靈感，以開發(fā)更好的電催化劑：提高電極化學(xué)反應(yīng)速率的材料?！扒鍧嵞茉醇夹g(shù)已經(jīng)證明了向反應(yīng)界面輸送快速氣體反應(yīng)物的能力，但反向途徑-催化劑/電解質(zhì)界面的高效氣體產(chǎn)物-仍然具有挑戰(zhàn)性，”該研究的第一作者李軍說。。

該團(tuán)隊(duì)的機(jī)制在結(jié)構(gòu)上模仿了肺泡，并執(zhí)行兩個(gè)不同的過程來改善驅(qū)動可持續(xù)技術(shù)的反應(yīng)，如燃料電池和金屬空氣電池。

第一個(gè)過程類似于呼氣。該機(jī)構(gòu)通過氧化電池陽極中的水分子同時(shí)減少陰極中的水分子來分解水以產(chǎn)生氫氣，即清潔燃料。氧氣(連同氫氣)迅速產(chǎn)生并通過由聚乙烯制成的薄的肺泡狀膜運(yùn)輸-沒有形成氣泡的能量成本。

第二個(gè)過程更像吸入，通過消耗氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生能量。氧氣在電極表面被輸送到催化劑，因此它可以在電化學(xué)反應(yīng)期間用作反應(yīng)物。

雖然它仍處于開發(fā)的早期階段，但設(shè)計(jì)似乎很有前途。與傳統(tǒng)的碳基氣體擴(kuò)散層相比，非常薄的納米聚乙烯膜保持疏水性，并且該模型能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更高的電流密度和更低的過電位。

然而，這種以肺為靈感的設(shè)計(jì)在準(zhǔn)備用于商業(yè)用途之前仍有一些改進(jìn)空間。由于納米聚乙烯膜是基于聚合物的膜，因此它不能承受高于100攝氏度的溫度，這可能限制其應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種材料可以用類似的薄納米多孔疏水膜代替，能夠承受更大的熱量。他們還有興趣將其他電催化劑納入設(shè)備設(shè)計(jì)中，以充分發(fā)掘其催化能力。

“呼吸模擬結(jié)構(gòu)可與許多其他最先進(jìn)的電催化劑結(jié)合，進(jìn)一步探索氣-液-固三相電極為催化提供了令人興奮的機(jī)會，”李軍說。