【儀表網(wǎng) 儀表科普】化石能源的大量使用帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機(jī)。可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，人類社會(huì)的能源利用方式將從有限的碳基化石能源轉(zhuǎn)換到無(wú)盡的可再生能源。燃料電池和金屬空氣電池在這類能源轉(zhuǎn)換中扮演著重要的角色。
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料；同時(shí)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故沒(méi)有噪聲污染，排放出的有害氣體極少。由此可見(jiàn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看，燃料電池是有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。
當(dāng)前，燃料電池中一直使用的是昂貴的Pt催化劑；據(jù)報(bào)道，Pt催化劑占到整個(gè)燃料電池成本的20%左右，這是導(dǎo)致這類高效能源器件尚未得到大規(guī)模使用的重要原因之一。
Pt催化劑的作用機(jī)理：
鉑由于有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和催化活性，因此，應(yīng)用很廣。多用來(lái)制造耐腐蝕的化學(xué)儀器，如各種反應(yīng)器皿、蒸發(fā)皿、坩堝、電極、鉑網(wǎng)等，也用于制造首飾、坩堝、特種容器和標(biāo)準(zhǔn)量具衡具，充當(dāng)催化劑，與鈷合制強(qiáng)磁體。鉑耐蝕、耐酸(王水除外)。鉑和鉑銠合金常用作熱電偶，來(lái)測(cè)定1200~1750℃的溫度。在化學(xué)工業(yè)中常用作催化劑，鉑在氫化、脫氫、異構(gòu)化、環(huán)化、脫水、脫鹵、氧化、裂解等化學(xué)反應(yīng)中均可作催化劑 。
因此，發(fā)展具有高活性和穩(wěn)定性的低成本電催化材料依然具有極大挑戰(zhàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員王家成和中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員楊明輝(共同通訊作者)聯(lián)合英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)教授J. Paul Attfield(共同通訊作者)和印度理工學(xué)院教授Tiju Thomas發(fā)現(xiàn)鋯基材料表現(xiàn)出可取代貴金屬Pt催化劑的巨大潛力。Pt金屬儲(chǔ)量非常稀少，價(jià)格非常昂貴，高達(dá)約300元每克；相比較，Zr金屬儲(chǔ)量豐富，價(jià)格僅為Pt的1/700。
在該研究中，科研人員采用一種溫和的urea-glass方法，在更低的溫度下制備出了高活性ZrN納米顆粒，研究表明其具有比肩商用Pt催化劑的活性。此外，ZrN還表現(xiàn)出了比Pt更優(yōu)異的長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性。在實(shí)際的鋅空氣電池測(cè)試中，商用Pt催化劑使用一段時(shí)間后性能衰減明顯；而ZrN催化劑性能衰減要緩慢很多。
氮化鋯(Zr-N)化合物隨著成份的變化而有多種晶體結(jié)構(gòu)，它們不但具有優(yōu)異的化學(xué)性質(zhì)，不僅可以用在Josephson結(jié)，擴(kuò)散式迭層，低溫度計(jì)等，還可以使用在三維集成電線圈，金屬基晶體管上。同時(shí)這些Zr-N化合物在耐磨、抗氧化和抗腐蝕等方面優(yōu)于純鋯，而且具有較高的超導(dǎo)臨界溫度，所以可以有可能成為很好的超導(dǎo)體，具有很高的使用價(jià)值。
未來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步和產(chǎn)業(yè)界合作，努力將該實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)換成實(shí)際的創(chuàng)新產(chǎn)品，這將有助于清潔能源的大規(guī)模使用，并有望為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題作出貢獻(xiàn)。
資料來(lái)源：上海硅酸鹽研究所、百度百科
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