大力水手吃菠菜给自己补充能量的画面,应该是每一个爱吃菠菜的小朋友的英雄。
不过,菠菜的能量可不止在动画片里,最近,菠菜真的能为燃料电池供电了!
这也令研究人员感到惊讶,美国大学化学系的Shouzhong Zou和他的团队尝试用菠菜来改善燃料电池的性能时,发现菠菜的供电效果意外的好。
在他们的概念验证实验中,他们用从当地超市买来的菠菜制造一种富碳催化剂,可用于燃料电池和金属空气电池。
菠菜被用作燃料电池中氧还原反应(ORRs)所需的高性能催化剂的前体。传统上,燃料电池使用的是铂基催化剂,但铂不仅非常昂贵和难以获得,而且在某些条件下容易发生化学中毒。因此,研究人员研究了生物衍生的碳基催化剂来取代铂,但在制备材料的成本效益和无毒方面存在瓶颈。邹说:“我们能买到菠菜有点幸运。”因为菠菜的铁和氮含量很高。
“目前,我们的方法确实需要在原料中添加更多氮,因为尽管菠菜一开始就含有很多氮,但在制作过程中,一些氮会流失。”
当然,Zou和他的团队并不是第一个发现菠菜的电化学奇迹的人,尽管其他研究也曾将这种绿叶蔬菜用于其他用途。例如,2014年的一项研究从菠菜中提取活性炭来制造电容器电极,而最近的一篇论文将菠菜基纳米复合材料作为光催化剂。菠菜除了富含铁和氮(这两种元素都是ORRs的必需成分),而且易于种植,而且“比铂金要便宜得多,”Zou补充道。
起初,这种以菠菜为原料的催化剂的制备听起来很像制作一种像奶昔配方,令人存疑,首先将新鲜的叶子洗净,然后磨成汁,然后冷冻干燥,这种冻干的果汁然后被磨成粉末,三聚氰胺加入其中作为氮促进剂。像氯化钠和氯化钾这样的盐很像厨房里用的食盐,这些盐被添加进去,对于形成小孔增加反应的表面积是必要的。纳米薄片是由菠菜-三聚氰胺-盐复合材料在900摄氏度下经过几次热解而制成的。“显然……我们可以优化制备这种材料的方式(使其更高效)。”
一个有效的催化剂意味着一个更快,更有效的反应。就燃料电池而言,这可以增加电池的能量输出。这就是纳米薄片的多孔性起作用的地方。“尽管我们称它们为纳米薄片,”Zou说,“但当它们堆在一起时,就不像一堆坚实的纸了。“盐的添加创造了小孔,让氧气可以穿透材料,而不是只进入外表面。”“我们需要让它具有足够的渗透性,以便……所有活跃的点都可以被利用。”