澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)研究人員展示了一種創(chuàng)造微型3D材料的新技術(shù)，最終可使氫電池等燃料電池更便宜、更可持續(xù)。近日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的該研究，有可能在納米尺度上按順序“生長”互連的3D層次結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有支持能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)的獨特化學(xué)和物理特性。

在化學(xué)中，層次結(jié)構(gòu)是單元(如分子)在其他單元組織中的配置，這些單元本身可能是有序的。在自然界中也可看到類似的現(xiàn)象，例如花瓣和樹枝。但是這些結(jié)構(gòu)具有非凡潛力的地方是在超出人眼可見度的納米級水平。

使用傳統(tǒng)方法，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在納米尺度上用金屬部件復(fù)制這些3D結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性。迄今為止，科學(xué)家們已能在微米或分子尺度上組裝層次結(jié)構(gòu)，但為了獲得納米級組裝所需的精度水平，他們需要開發(fā)一種全新的自下而上的方法。

研究人員使用從簡單化合物構(gòu)建復(fù)雜化合物的化學(xué)合成方法，在立方晶體結(jié)構(gòu)的核心上小心地生長六方晶體結(jié)構(gòu)的鎳分支，以創(chuàng)建尺寸約為10—20納米的3D層次結(jié)構(gòu)。

由于金屬核心和分支的直接連接，由此產(chǎn)生的互連3D納米結(jié)構(gòu)具有高表面積和高導(dǎo)電性，并且具有可化學(xué)修飾的表面。這些特性使其成為理想的電催化劑載體，有助加快反應(yīng)速率，在析氧反應(yīng)中，這是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵過程。

研究人員表示，逐步生長材料與在微米級組裝結(jié)構(gòu)的做法形成鮮明對比，后者是從大塊材料開始并將其蝕刻下來，新方法可以很好地控制條件。

因為在通常為球形的傳統(tǒng)催化劑中，大多數(shù)原子都卡在球體的中間，表面的原子很少，這意味著大部分材料都被浪費了，它們不能參與反應(yīng)環(huán)境。而新的3D納米結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計，可將更多原子暴露在反應(yīng)環(huán)境中，從而促進(jìn)更有效的能量轉(zhuǎn)換催化。

【總編輯圈點】

在構(gòu)建化合物時，科學(xué)家如果將所有組件保持在超小納米級，就能發(fā)揮獨特的催化性能。本文的成果一旦應(yīng)用于燃料電池，催化劑也會具有更高表面積。這意味著，在將氫轉(zhuǎn)化為電能時反應(yīng)將更有效，反應(yīng)時需要使用的材料也更少。最終，這一技術(shù)將幫助人們降低成本，使能源生產(chǎn)更具可持續(xù)性。