新纳米材料将助力可再生能源

发布时间：2015/3/19 0:01:34

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、能源安全和环境保护来说，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*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*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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