導讀
最近， 美國佐治亞理工學院的材料科研人員發明了一種納米纖維， 助力下一代充電電池的開發， 並且可以提升電解水裝置製造氫氣的效率。 研究發表於2月27日的《自然通信》雜誌， 它描述了「雙鈣鈦礦納米纖維」的開發過程。 這種納米纖維可以作為一種高效催化劑， 促進超高速的「析氧反應」。
可再生能源和能量存儲
能源， 是一個全球性的關鍵問題， 也是科技創新的一個重要領域。 目前， 人類已經越來越多地轉向開發利用可再生的清潔能源， 取代之前那些不可再生的傳統能源。
但是， 這些可再生能源在自然界中一般是「間歇性和不穩定」的，
氫燃料電池和金屬空氣電池
然而， 我們今天要介紹的技術與「氫燃料電池和金屬空氣電池」相關。 它們有別于傳統電池， 所以也可稱為“下一代電池”。 這些電池具有原材料豐富、安全環保、能量密度高等一些列的優勢。 但是目前， 它們尚未進行大規模商用， 不少仍停留在實驗室階段。
首先， 我先簡單介紹一下這兩種電池。
氫燃料電池
它使用氫這種化學元素， 製造成儲存能量的電池。 基本原理是電解水的逆反應，
氫燃料電池原理示意圖
金屬空氣電池
它也是電化學電池的一種， 其氧化劑取自空氣中的氧。 按使用的金屬不同， 它又被分為鋰空氣電池、鋅空氣電池、鋁空氣電池等。
我們以鋅空氣電池為例說明金屬空氣電池的基本原理， 它利用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質， 以金屬鋅為負極， 以氯化銨或苛性鹼溶液為電解質。
析氧反應
析氧反應， 簡單來說， 是指能夠析出氧氣的電化學反應， 例如電解水的陽極反應。 無論在氫燃料電池和金屬空氣電池中， 都會發生這一電化學反應。
借用佐治亞理工學院的 Meilin Liu 教授的觀點來說：
“金屬空氣電池， 例如未來可用於電動汽車的那些， 能夠在現有電池小得多得空間中存儲很多能量。 問題是這些電池缺少一種划算的催化劑提高其效率。 ”
所以， 尋找一種可以提升析氧反應的催化劑， 其意義就不言而喻了。
創新發明
在這項研究中， 創新點在於：
研究人員開發了一種雙鈣鈦礦納米纖維， 它可以作為超高速析氧反應中的一種高效催化劑。
研究人員之所以選用了鈣鈦礦組成納米纖維作為催化劑材料， 因為它具有特殊的晶體結構。 這種獨特的晶體結構和構成，
在合成過程中， 研究人員使用了一項稱為「合成調諧」或者「共摻雜」的技術， 將催化劑的內在活性提高近4.7倍。
研究人員稱， 催化活性的提升得益于納米纖維更大的表面積。 鈣鈦礦結構合成為納米纖維後， 其內在活性得到提升， 在析氧反應（OER）中的工作效率也相應提高。
研究成果
利用靜電紡絲工藝製成的鈣鈦礦氧化物纖維，直徑差不多是20納米。目前為此，這是靜電紡絲工藝製成的最細的鈣鈦礦氧化物納米纖維。研究人員發現這種新物質，相對于現有的催化劑，顯著地提升了析氧反應的能力。
這種納米纖維的催化活性，比原始的粉末催化劑提升了近72倍，比氧化銥提升了2.5倍，按照目前的標準來說，是一種最先進的催化劑。
研究人員在論文中寫道：
“這項工作不僅代表高效和持久的OER電催化劑，而且也深入分析了納米結構對於內在OER活性產生的影響。”
應用價值
除了應用于開發可充電的金屬空氣電池領域，這種新催化劑也為下一步創造更加高效的燃料電池技術奠定基礎，從而服務于可再生能源系統。
目前來說，這些電池用於存儲能量，還是十分昂貴。所以，我們需要一種很好的催化劑，讓水的電解反應更加高效。這種催化劑可以加速水分解或者金屬空氣電池中的電化學反應。
參考資料
【1】http://www.rh.gatech.edu/news/588498/new-nanofiber-marks-important-step-next-generation-battery-and-water-electrolysis
【2】Bote Zhao, Lei Zhang, Dongxing Zhen, Seonyoung Yoo, Yong Ding, Dongchang Chen, Yu Chen, Qiaobao Zhang, Brian Doyle, Xunhui Xiong, Meilin Liu. A tailored double perovskite nanofiber catalyst enables ultrafast oxygen evolution. Nature Communications, 2017; 8: 14586 DOI: 10.1038/ncomms14586
利用靜電紡絲工藝製成的鈣鈦礦氧化物纖維，直徑差不多是20納米。目前為此，這是靜電紡絲工藝製成的最細的鈣鈦礦氧化物納米纖維。研究人員發現這種新物質，相對于現有的催化劑，顯著地提升了析氧反應的能力。
這種納米纖維的催化活性，比原始的粉末催化劑提升了近72倍，比氧化銥提升了2.5倍，按照目前的標準來說，是一種最先進的催化劑。
研究人員在論文中寫道：
“這項工作不僅代表高效和持久的OER電催化劑，而且也深入分析了納米結構對於內在OER活性產生的影響。”
應用價值
除了應用于開發可充電的金屬空氣電池領域，這種新催化劑也為下一步創造更加高效的燃料電池技術奠定基礎，從而服務于可再生能源系統。
目前來說，這些電池用於存儲能量，還是十分昂貴。所以，我們需要一種很好的催化劑，讓水的電解反應更加高效。這種催化劑可以加速水分解或者金屬空氣電池中的電化學反應。
參考資料
【1】http://www.rh.gatech.edu/news/588498/new-nanofiber-marks-important-step-next-generation-battery-and-water-electrolysis
【2】Bote Zhao, Lei Zhang, Dongxing Zhen, Seonyoung Yoo, Yong Ding, Dongchang Chen, Yu Chen, Qiaobao Zhang, Brian Doyle, Xunhui Xiong, Meilin Liu. A tailored double perovskite nanofiber catalyst enables ultrafast oxygen evolution. Nature Communications, 2017; 8: 14586 DOI: 10.1038/ncomms14586