西湖大学/南京工业大学/香港城市大学：形貌可调控的在乙醇氧化反应中拥有超长稳定性的纳米线阵列催化剂

果壳硬科技 2023-10-20 10:15

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苏冬萌 | 作者

酥鱼 | 编辑

2023年10月10日，西湖大学/南京工业大学陈虹宇教授团队，在国际期刊Joule上发表了一项重要研究成果，题为“Ultralong Durability of Ethanol Oxidation Reaction via Morphological Design”。该研究设计出一种崭新的纳米线形催化剂，可显著提高直接乙醇燃料电池的稳定性和寿命。果壳硬科技邀请了论文第一作者苏冬萌撰写解读文章。以下为苏冬萌的分享内容。

论文截图

嘿，听说过"酒精充电器"吗？是的，你没听错！科学家正在研究一种电池，它可以直接从乙醇（也就是酒精）中提取能量来产生电。简单地说，那瓶你的白酒或红酒可能不只是为了开心了，它未来也有可能为你的手机充电！

这样的电池不仅听起来很酷，还很环保。但这电池有个小毛病：它的“心脏”——催化剂，就像是探险家的鞋子，在探险中很快就会磨损。这个心脏用不了多久就会告疲，经常是刚启动不久就要“休息”了。

所以，为了让这种“酒精充电器”成为现实，我们最大的挑战是为它找到一个耐用的心脏。幸好，我们的科学家们从不放弃，他们正努力地让它的心脏变得更加强大和持久！

好消息是，我们研究团队发明了一款全新的、持久的“心脏”——一种由金和钯制成的纳米线催化剂。嗯，说起来有点像是科学小说里的材料，但这东西真的可以让电池的寿命大大增长。

我们进行了很多实验，像是探险家在测试新鞋子一样。我们发现，这种新的“心脏”让电池的反应更加稳定，并减少了突发的“心脏病”。

电池稳定性的新探索

一直以来，为什么电池的心脏会坏，科学家们没有达成共识。但这次，我们团队研究出的新型心脏特别稳定还有与众不同的结构，给大家提供了一个很好的机会去研究背后的原因。

这次我们用了一个新招，合成出了一种超细纳米线阵列电极并调整了它的一些参数。结果发现，新做的这个心脏不仅动力强劲，而且用的时间也比其他的都要久。真是个大发现！

超细金钯核壳纳米线阵列电极的垂直站立形貌、其核壳化学结构及其合成思路概念图。硫化钠介导的纳米线阵列制备方法具有灵活的形貌调节能力，这能帮助我们理解形貌对其电催化稳定性的影响 | 团队供图

金钯纳米线阵列电极的大幅正移的循环伏安峰电位与其超长稳定性成正相关 | 团队供图

形貌改变性能前所未有

我们还发现，改变这种纳米线阵列电极的“长相”即形貌，比如它有多长、多密集之类的，能直接影响心脏的动力和持久性。这种通过“变脸”的手段来增强心脏的做法在以前其他的电池中从未用过。

不同形貌调控手段对Au@Pd NWAs的电化学稳定性的影响 | 团队供图

创新实验揭示失活机理

为了理解这种新的心脏为何如此好用，我们又用了一个新招，创新地杂糅了两种测试过程，这帮助我们实现了前所未有的对心脏耐久度的调节能力，提供了一个研究催化剂失活本质的视角。

消耗导致的峰位移与不同电压及时间等消耗条件的相关性 | 团队供图

稳定浓度梯度假说

基于前面的描述可知，当我们用一种特殊的金和钯做成的超细线（纳米线）来做电池的心脏（催化剂）时，这个心脏能够用很长时间而不容易坏。它的原因是这种特殊的线能创造出一个浓度的变化，就好比我们在山上和山下呼吸到的空气不一样那样。

这里的浓度变化是这样的：乙醇（就是酒精）从下往上的量是逐渐减少的，而另一个反应物OH^-（这就是我们这里的“空气”）从上往下的量也是逐渐减少的。这种细线结构好像给了这些物质一个很通畅的路，让它们能够自由自在地跑，而且还有足够的地方给它们跑。

再说得简单点，就像我们跑步时，如果路上人少，空气好，我们就能跑得更远、更快。这种细线做的心脏就提供了这样一个好环境，所以它不容易坏。

更厉害的是，因为乙醇的浓度降低了，OH^-（那个“空气”）就少了。这让这个心脏更不容易坏，就好比我们运动时，空气好，我们更不容易累。

这个研究真的太神奇了，它告诉我们，如何巧妙地设计小小的材料，可以让电池用得更久。相信未来，有了这种技术，我们的电池会变得越来越厉害！

由稳定的浓度梯度带来的三种不同区域性催化剂失活过程的示意图示 | 团队供图

研究团队

（请上下滑动查看）

通讯作者陈虹宇：西湖大学/南京工业大学，教授，入选浙江省海外高层次人才引进计划海鸥项目、浙江省海外高层次人才创新项目、江苏特聘教授、江苏省双创人才，入选英国皇家化学会会士。1998年获中国科学技术大学理学学士学位；2004年在耶鲁大学（Yale University）获得博士学位；后在康奈尔大学（Cornell University）从事博士后研究。2006年加入新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）任助理教授；2011年升为终身教职副教授；历任化学系副主任 (Deputy Head)、数理学院副院长 (Associate Chair)、理学部副主任 (Associate Dean)。2016年加入南京工业大学，共同组建了先进化学制造研究院，任执行院长。2021年7月加入西湖大学，任理学院教授、校长助理、本科生书院院长。

陈虹宇致力于推进纳米合成的控制力，发展新的合成方法（类似有机反应），发现其背后的机理，并应用这些工具拓展新颖的纳米结构，探索新型应用。其发展的合成方法包括1）通过固-固界面的构筑，连续调控核-壳、偏心、Janus等纳米结构；2）纳米线的溶液操作方法，如盘旋成圈，扭转成麻花，编织成绳等；3）手性纳米结构的构筑；4）位点选择性的多步纳米合成；5）新的操控手段，如通过宏观载体的拉伸，超声造成弯折，外磁场诱导变形等。共发表论文170余篇，其中以通讯作者发表的高水平文章（IF>10）70余篇。主持国家自然科学基金集成项目、面上项目和重大培育项目各1项、新加坡科研项目14项、浙江省自然科学基金重大项目1项。其培养的博士、博士后中，有18人成为国内外的教授/副教授/助理教授。

更多个人与课题组信息，请访问

https://www.westlake.edu.cn/faculty/hongyu-chen.html

http://www.nanosynthesis.cn/

通讯作者刘彬：香港城市大学，教授，于2002年获新加坡国立大学学士学位（一等荣誉），2004年获该校硕士学位，之后于2011年在美国明尼苏达大学获取博士学位。2011-2012年在美国伯克利加州大学杨培东教授课题组从事博士后研究。2012年任新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院助理教授，并建立电催化研究实验室。2017年2月，晋升为副教授，获得终身教职。2023年2月，刘彬教授加盟香港城市大学材料科学与工程系。近年来，刘彬教授的研究成果在国际著名期刊如Nat. Energy, Nat. Catal., Nat. Water, Nat. Commun., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Joule, Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res.等发表论文240余篇，他引次数三万四千余次。

更多个人与课题组信息，请访问

https://www.cityu.edu.hk/mse/people/mse-faculty/liu-bin

第一作者苏冬萌：南京工业大学/香港中文大学，博士。在南京大学及新加坡南洋理工大学获得理学学士及博士学位。2020年以来先后在南京工业大学及香港中文大学从事博士后研究。苏冬萌致力于发展调控超细纳米线阵列形貌的新方法，拓宽贵金属纳米线阵列在电催化及燃料电池中的应用，理解催化剂的形貌设计对催化性能的提升及其背后的机理。

论文信息

发布期刊 Joule

发布时间 2023年10月10日

文章标题 Ultralong Durability of Ethanol Oxidation Reaction via Morphological Design

（https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.09.008）

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