肺部设计将水变成燃料

斯坦福大学的科学家设计了一种电催化机制，其作用类似于哺乳动物的肺，将水转化为燃料。他们于12月20日在Joule杂志上发表的研究报告可以帮助现有的清洁能源技术更有效地运行。

吸入和呼出的行为对于大多数生物来说是如此自动，以至于它可能被误认为是简单的，但哺乳动物呼吸过程实际上是自然界中发现的双向气体交换最复杂的系统之一。每次呼吸时，空气都会通过肺部微小的通道状细支气管，直至到达称为肺泡的小囊。从那里，气体必须进入血液而不仅仅是扩散，这将导致形成有害气泡。这是肺泡的独特结构 - 包括一个微米厚的膜，可以排斥内部的水分子，同时吸引它们在外表面 - 这可以防止这些气泡形成，并使气体交换高效。

高级作者Yi Cui在斯坦福大学材料科学与工程系的实验室的科学家从这一过程中汲取灵感，以开发更好的电催化剂：提高电极化学反应速率的材料。“清洁能源技术已经证明了向反应界面输送快速气体反应物的能力，但反向途径 - 催化剂/电解质界面的高效气体产物 - 仍然具有挑战性，”该研究的第一作者李军说。 。

该团队的机制在结构上模仿了肺泡，并执行两个不同的过程来改善驱动可持续技术的反应，如燃料电池和金属空气电池。

第一个过程类似于呼气。该机构通过氧化电池阳极中的水分子同时减少阴极中的水分子来分解水以产生氢气，即清洁燃料。氧气(连同氢气)迅速产生并通过由聚乙烯制成的薄的肺泡状膜运输 - 没有形成气泡的能量成本。

第二个过程更像吸入，通过消耗氧气的反应产生能量。氧气在电极表面被输送到催化剂，因此它可以在电化学反应期间用作反应物。

虽然它仍处于开发的早期阶段，但设计似乎很有前途。与传统的碳基气体扩散层相比，非常薄的纳米聚乙烯膜保持疏水性，并且该模型能够实现比传统设计更高的电流密度和更低的过电位。

然而，这种以肺为灵感的设计在准备用于商业用途之前仍有一些改进空间。由于纳米聚乙烯膜是基于聚合物的膜，因此它不能承受高于100摄氏度的温度，这可能限制其应用。该团队认为这种材料可以用类似的薄纳米多孔疏水膜代替，能够承受更大的热量。他们还有兴趣将其他电催化剂纳入设备设计中，以充分发掘其催化能力。

“呼吸模拟结构可与许多其他最先进的电催化剂结合，进一步探索气 - 液 - 固三相电极为催化提供了令人兴奋的机会，”李军说。