讓材料分子自己拼裝,靜置 2 天即可變成氫電池催化劑

作者 | 發布日期 2018 年 06 月 05 日 14:00 | 分類 材料、設備 , 能源科技 , 自然科學 follow us in feedly

氫燃料電池是當今再生能源解決方案之一,但科學家一直沒有攻克電池關鍵材料催化劑難題,不過紐約州立大學水牛城分校(UB)科學家已發現一種比鉑更好、更便宜的催化劑,或許可進一步降低氫燃料電動車成本。



該催化劑名為共面鈷紫質(cofacial cobalt porphyrins)──如果不是化學系,可能根本不會知道這是什麼,但這默默無聞又便宜化合物其實是個善於驅動氫與氧化學反應的好手,這一研究有望加速氫燃料電池技術發展。

有別於奇怪的名稱,該催化劑做法一點也不複雜,跟在家自製巧克力一樣簡單:把鈷紫質與釕兩種液體放入燒瓶後攪拌並加熱,靜置 2 天後,全新的氫燃料化劑就完成了。

這種自組裝(self-assembled)催化劑製造方式相當簡易,材料也很便宜,UB 藝術與科學學院化學助理教授 Timothy Cook 表示,催化劑材料包含釕和鈷,價位比鉑還要便,且性能比當今市面的鉑催化劑更好。

Cook 指出,只要一想到分子自組(molecular self-assembly),腦中就會浮現樂高。這些建構組元設計成可拼裝式,就像一塊塊積木或拼圖。差別在於這些積木會相互反應與吸引,把它們放在一起並施加一點能量,時候到了積木自然會組合在一起。

但要讓化學鍵成功接合也不是容易的事,為了保證化學鍵會完美連接,研究打造紫質和固定用的釕。共面鈷紫質就是由兩種鈷紫質分子組成,分子像三明治一樣堆疊,中間則用釕連接,將鈷紫質溶液與釕溶液混合加熱後,2 天內就會自己組裝成共面鈷紫質催化劑。

科學家老早就知道紫質可以捕捉與分解氧氣,但 Cook 表示,打造人造紫質結構催化劑非常難,過程昂貴又複雜,步驟非常多,而且最終產量也很少。

不過自組裝完完全全解決這個問題,Cook 團隊用 100 克的初始物質製造 79 克的共面鈷紫質,產率只比其他實驗室低 1%。且研究還可以輕鬆測試不同用量的釕,這樣一來就更容易調整化合物電化學品質,打造更理想的催化劑。

該催化劑功能與鉑催化劑一樣,可促進電池中的氫氧化學反應,而該技術有望降低未來氫燃料電池車成本,且低成本燃料電池還可以同時推動其他氫能設備開發,Cook 表示,為了降低氫燃料車價格,我們迫切需要一種比鉑更便宜的催化劑。

論文第一作者 Amanda N. Oldacre 表示,他們可利用自組裝技術在 48 小時內製造出更便宜催化劑材料,甚至不會用到耗時且麻煩的純化步驟。目前研究已發表在《Chemistry:A European Journal》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖左為鈷紫質溶液,中間為釕溶液,右側則是最終產品共面鈷紫質催化劑,來源:UB