“仿肺”设计电催化机制可以将水转化为燃料

对大多数生物来说，吸入和呼出的动作都是自发进行的，看似十分简单，但哺乳动物的呼吸过程实际上是自然界中已知的最复杂的双向气体交换系统之一。每次呼吸时，空气通过肺部微小的通道状细支气管到达肺泡的小气囊。肺泡的独特结构——包括一层微米厚的膜，在内侧排斥水分子，而在外表面吸引水分子——可以防止有害气泡的形成，并使得气体交换更加高效。

美国斯坦福大学崔屹实验室的研究团队从呼吸过程中获得了灵感，设计了一种电催化机制，其工作原理类似于哺乳动物的肺，可以将水转化为燃料。这项成果于12月20日发表在Cell Press细胞出版社旗下的Joule（《焦耳》）期刊上，将有助于促进现有的清洁能源技术更有效地运行（点击文末”阅读原文“查看论文）。

该研究的第一作者表示：“清洁能源技术已经证明了快速向反应界面输送气体反应物的能力，但反向途径——从催化剂/电解质界面高效生成气体产品——仍然具有挑战性。”

具体过程

研究团队的设计模拟了肺泡的结构，并且通过两个不同的过程，以改进那些驱动燃料电池和金属空气电池等可持续技术的反应。

第一个过程类似于呼气动作，这种机制通过氧化电池阳极中的水分子，同时还原电池阴极中的水分子，将水分解成一种清洁的燃料——氢气。氧气(以及氢气)通过一层由聚乙烯制成的类似肺泡的薄膜快速生产和运输，过程中形成气泡并不会损耗能量。

第二个过程更像是吸气动作，通过消耗氧气的反应生成能量。氧气被输送到电极表面的催化剂上，可以作为电化学反应中的反应物。

应用前景

虽然这项研究仍处于开发的早期阶段，但前景十分光明。与传统的碳基气体扩散层相比，超薄的纳米聚乙烯膜具有更长时间的疏水性。同时，该模型也能够实现比传统设计更高的电流密度和更低的过电位。

改进空间

然而，这种以生物肺为灵感的设计在投入商用前仍存在一些改进的空间。由于纳米聚乙烯膜是一种基于聚合物的薄膜，它不能承受超过100℃的温度，这可能限制其在某些场景下的应用。研究团队认为，这种材料可以被厚薄相当的纳米多孔疏水膜替代，这种疏水膜能够承受更高的温度。另外，研究人员还尝试在模型设计中嵌入其他电催化剂，来充分探索其催化能力。

作者表示：“这种模拟呼吸的结构可以与许多其他最先进的电催化剂结合，而在气液固三相电极领域的进一步探索也为催化提供了绝佳的发展机会。”

相关论文信息

原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊 Joule（《焦耳》）。Joule（《焦耳》）创刊于2017年，是Cell Press细胞出版社的能源旗舰期刊，主要发表全球能源领域前沿的科学研究成果。点击“阅读原文”查看论文全文。

论文标题：

Breathing-Mimicking Electrocatalysis for Oxygen Evolution and Reduction

论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30564-6

DOI: 

https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.11.015

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