斯坦福大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計了一種電催化機制，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)表的研究報告可以幫助現(xiàn)有的清潔能源技術(shù)更有效地運行。

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為是簡單的，但哺乳動物呼吸過程實際上是自然界中發(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，空氣都會通過肺部微小的通道狀細支氣管，直至到達稱為肺泡的小囊。從那里，氣體必須進入血液而不僅僅是擴散，這將導(dǎo)致形成有害氣泡。這是肺泡的獨特結(jié)構(gòu)-包括一個微米厚的膜，可以排斥內(nèi)部的水分子，同時吸引它們在外表面-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)與工程系的實驗室的科學(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。“清潔能源技術(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。。

該團隊的機制在結(jié)構(gòu)上模仿了肺泡，并執(zhí)行兩個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。

第一個過程類似于呼氣。該機構(gòu)通過氧化電池陽極中的水分子同時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輸-沒有形成氣泡的能量成本。

第二個過程更像吸入，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)計似乎很有前途。與傳統(tǒng)的碳基氣體擴散層相比，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)計在準(zhǔn)備用于商業(yè)用途之前仍有一些改進空間。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。該團隊認為，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的電催化劑結(jié)合，進一步探索氣-液-固三相電極為催化提供了令人興奮的機會，”李軍說。