據(jù)外媒報道，隨著世界向凈零碳排放邁進，需要具有增強性能的低成本綠色技術(shù)，以滿足未來能源需求。研究人員大量挖掘領(lǐng)先材料，以解決綠色技術(shù)帶來的問題。為了探討鎳氧化物系統(tǒng)作為燃料電池替代電催化劑的潛力，Springer Proceedings in Physics系列從書中發(fā)表了一篇會議論文。
（圖片來源：AZOM）
燃料電池：讓世界擺脫對化石燃料的依賴
研究人員認為，燃料電池技術(shù)有助于結(jié)束世界對化石燃料的依賴。這些技術(shù)具有較高的能量密度，能夠減少碳排放，有助于應對氣候變化。在這種電池中，燃料的能量被轉(zhuǎn)換成電能，但是燃料的電氧化速度很慢，需要使用電催化劑。
傳統(tǒng)燃料電池以鈀和鉑納米顆粒等貴金屬為電催化劑，這些資源比較稀缺，而且有毒，使其效率降低。將這些貴金屬與鎳和釕等過渡金屬制成合金，可以減少中毒風險和資源需求。過渡金屬氧化物因儲量豐富、具有增強電化學性質(zhì)和穩(wěn)定性、無毒等特點，成為貴金屬的合適替代品。這類金屬氧化物具有多個氧化態(tài)，能夠提供不同的電氧化反應位點，并產(chǎn)生不同的結(jié)合能。此外，帶電實體無需混合即可固定在過渡金屬氧化物表面。但是，這種材料也存在一些缺點，比如導電性差會影響電催化活性。
提高氧化鎳的電催化性能
為了解決氧化鎳存在的問題，研究人員提出使用石墨烯來生產(chǎn)復合材料，并已將石墨烯與納米粒子和聚合物共同應用于諸多領(lǐng)域，如儲能設(shè)備和電化學傳感器等。石墨烯可以為復合材料引入更多的活性位點，減少活性材料聚焦結(jié)塊（active material agglomeration），從而提高穩(wěn)定性和效率。
創(chuàng)建氧化鎳/石墨烯電催化劑
該論文中闡述的研究表明，所開發(fā)的氧化鎳/石墨烯納米復合材料，可用作葡萄糖氧化反應的電催化劑。
將六水氯化鎳添加到室溫十二烷基硫酸鈉/氧化石墨烯水溶液中以合成納米復合材料。通過劇烈攪拌產(chǎn)生均勻的溶液，向其中加入尿素和乙醇。該溶液經(jīng)160℃熱處理，在高壓釜中加熱10小時，然后將所得干燥粉末在500℃下退火5小時，以產(chǎn)生氧化鎳/石墨烯納米復合材料。
對氧化鎳顆粒的分析表明，在沒有石墨烯存在的情況下，納米棒狀形態(tài)會發(fā)生聚集。而在復合材料中，這些納米顆粒均勻地分散在石墨烯上，進一步防止了聚集。據(jù)觀察，這些納米復合材料為介孔結(jié)構(gòu)，具有狹縫狀孔隙，這是由氧化鎳納米粒子的局部聚集造成的。與純氧化鎳納米顆粒相比，該納米復合材料的葡萄糖氧化物還原能力提高了兩倍。這是由于石墨烯納米片阻止氧化鎳聚集，并促進了電極界面的電子傳遞。
此項研究創(chuàng)建的新型燃料電池，進一步表現(xiàn)增強特性。與純氧化鎳納米顆粒相比，穩(wěn)定性和電流密度都有明顯提高。在測試過程中，新型葡萄糖燃料電池的開路電壓達到0.756 V。此外，在微生物燃料電池中，這種納米復合材料的功率密度為3.63Wm-2。
此項研究得出的結(jié)論是，該納米復合材料之所以具有優(yōu)異的電催化活性，是因為其比表面積大，并且通過開發(fā)氧化鎳納米顆粒電網(wǎng)絡(luò)（electrical network），改善了石墨烯表面的電子傳遞。另外，氧化鎳-石墨烯納米復合材料/鉑的組合也表現(xiàn)出較強的氧化還原能力和穩(wěn)定性。
未來發(fā)展
該論文提出的研究表明，氧化鎳/石墨烯納米復合材料具有明顯的電催化劑潛力。這使其成為一種有吸引力的燃料電池材料，可用于眾多行業(yè)中的各種領(lǐng)先設(shè)備。
（轉(zhuǎn)載）
