新南威尔士大学悉尼分校的科学家们展示了一种制造微型3D材料的新技术，这种材料最终可以使氢电池等燃料电池更便宜、更可持续。

在发表在《科学进展》上的这项研究中，新南威尔士大学科学学院化学学院的研究人员表明，在纳米尺度上按顺序“生长”3D相互连接的层次结构是可能的，这些结构具有独特的化学和物理性质，可以支持能量转换反应。

在化学中，层次结构是单位的配置，就像其他单位组织中的分子，这些单位本身可能是有序的。在自然界中也可以看到类似的现象，比如花瓣和树枝。但这些结构具有非凡潜力的地方是在人眼无法看到的水平上——在纳米尺度上。

使用传统方法，科学家们发现在纳米尺度上用金属组件复制这些3D结构具有挑战性。为了理解这些微小的3D材料需要有多小——1厘米有10毫米。如果你在一毫米内数出一百万个小片段，每一个都是一纳米。

“到目前为止，科学家们已经能够在微米或分子尺度上组装层次型结构，”新南威尔士大学电子显微镜部门主任、该研究的高级作者理查德·蒂利教授说。“但为了达到纳米级组装所需的精度水平，我们需要开发一种全新的自下而上的方法。”

研究人员使用了化学合成，一种从简单化合物构建复杂化合物的方法。他们能够仔细地在立方晶体结构的核心上生长六角形晶体结构的镍分支，以创建尺寸约为10-20纳米的3D层次结构。

Tilley教授和Gloag博士在一个手套箱旁，当合成纳米结构时，这个手套箱被用于反应的准备。照片:提供。

由此产生的互联3D纳米结构具有高表面积，由于金属核心和分支的直接连接，具有高导电性，并且具有可以化学修饰的表面。这些特性使其成为一种理想的电催化剂载体——一种有助于加速反应速率的物质——在析氧反应中，这是能量转换的关键过程。利用电子显微镜单元提供的最先进的电子显微镜进行电化学分析，检查了纳米结构的性质。

该研究的主要作者、新南威尔士大学科学学院化学学院博士后露西·格洛格博士说:“一步一步地生长这种材料，与我们在微米级组装结构的方式形成对比，后者是从大块材料开始，然后蚀刻下来。”“这种新方法使我们能够很好地控制条件，这让我们保持所有组件的超小——在纳米尺度上——这是独特的催化性能存在的地方。”

燃料电池中的纳米催化剂

传统的催化剂通常是球形的，大多数原子被困在球体的中间。表面的原子非常少，这意味着大部分材料都被浪费了，因为它不能参与反应环境。

Tilley教授说，这些新的3D纳米结构被设计成将更多的原子暴露在反应环境中，这可以促进更高效和有效的能量转换催化。

Tilley教授说:“如果它用于燃料电池或电池中，催化剂的表面积更大，这意味着在将氢转化为电能时，反应将更有效。”

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格洛格博士说，这意味着需要更少的材料用于反应。

“它最终还会降低成本，使能源生产更具可持续性，最终进一步减少我们对化石燃料的依赖。”

在接下来的研究阶段，科学家们将寻求用铂来修饰材料的表面，铂是一种优越的催化金属，尽管价格更高。一辆电动汽车成本的六分之一是用于燃料电池的铂。

Tilley教授说:“这些异常高的表面积将支持像铂这样的材料在单个原子上分层，所以我们在反应环境中绝对最好地利用这些昂贵的金属。”

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。