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2019-08-05
美国斯坦福大学科学家近日设计出一种电催化装置，其工作原理类似于哺乳动物的肺，可以将水转化为燃料，有助于现有清洁能源技术有效运行。该研究报告发表在近期出版的《焦耳》杂志。
对于大多数生物而言，吸入和呼出空气的动作是自动完成的，通常人们认为这是非常简单的，但事实上哺乳动物呼吸过程是自然界最复杂的双向气体交换系统之一。随着每次呼吸，空气通过肺部通道状细支气管，最终抵达肺泡。在肺泡中气体必须进入血液而不是简单地扩散，这将导致有害气泡形成。肺泡的独特结构——包括一层1微米厚的薄膜，薄膜内部防水，排斥水分子，薄膜外部吸收水分子，从而阻止气泡的形成，并促使气体交换变得更加高效。
斯坦福大学材料科学与工程系教授崔毅团队从哺乳动物肺呼吸过程中获得了灵感，并用于开发更好的电催化剂——一种在电极上加速化学反应的材料。研究报告第一作者李军说：“清洁能源技术现已证实具有快速将气体反应剂输送到反应界面的能力，但是反向途径——从催化剂/电解质界面生成高效气体产物，仍具有很大的挑战性。”
研究小组从机械结构上模拟肺泡，并进行了两种不同的进程，改善驱动燃料电池和金属—空气电池等可持续性技术的反应过程。第一个进程类似呼气，这种机制通过电池阳极氧化水分子，同时在负极进行还原，将水分解成为氢气—— 一种清洁燃料。同时，该反应过程通过一层聚乙烯制成的肺泡结构快速生成和运输氧气，而不需要形成气泡的能量消耗。
第二个进程更像是吸入空气，通过消耗氧气的反应产生能量，氧气被输送到电极表面的催化剂上，可以作为电化学反应中的反应剂。
虽然该装置仍处于开发早期阶段，但是未来应用前景被看好。与传统碳基气体扩散层相比，这种超薄纳米聚乙烯薄膜具有较长时间防水性能，并且该模型能够实现比传统设计更高的气流密度和更低的电位。
研究者称，这种以肺部为灵感的最新设计在投入商业应用之前仍有一定的改进空间。由于纳米聚乙烯薄膜是一种聚合物基础薄膜，它无法承受超过100摄氏度的高温，从而限制了其应用范围。研究小组认为，这种材料可能使用类似超薄纳米防水膜替代，这种超薄纳米防水膜能够承受更高的能量。目前他们计划将其他电催化剂整合到设备设计之中，充分发挥其催化能力。（杨艳）
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