大力水手成真？菠菜可用作燃料電池材料

大力水手吃菠菜給自己補(bǔ)充能量的畫(huà)面，應(yīng)該是每一個(gè)愛(ài)吃菠菜的小朋友的英雄。

不過(guò)，菠菜的能量可不止在動(dòng)畫(huà)片里，最近，菠菜真的能為燃料電池供電了!

這也令研究人員感到驚訝，美國(guó)大學(xué)化學(xué)系的Shouzhong Zou和他的團(tuán)隊(duì)嘗試用菠菜來(lái)改善燃料電池的性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)菠菜的供電效果意外的好。

在他們的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，他們用從當(dāng)?shù)爻匈I(mǎi)來(lái)的菠菜制造一種富碳催化劑，可用于燃料電池和金屬空氣電池。

菠菜被用作燃料電池中氧還原反應(yīng)(ORRs)所需的高性能催化劑的前體。傳統(tǒng)上，燃料電池使用的是鉑基催化劑，但鉑不僅非常昂貴和難以獲得，而且在某些條件下容易發(fā)生化學(xué)中毒。因此，研究人員研究了生物衍生的碳基催化劑來(lái)取代鉑，但在制備材料的成本效益和無(wú)毒方面存在瓶頸。鄒說(shuō):“我們能買(mǎi)到菠菜有點(diǎn)幸運(yùn)。”因?yàn)椴げ说蔫F和氮含量很高。

“目前，我們的方法確實(shí)需要在原料中添加更多氮，因?yàn)楸M管菠菜一開(kāi)始就含有很多氮，但在制作過(guò)程中，一些氮會(huì)流失。”

當(dāng)然，Zou和他的團(tuán)隊(duì)并不是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)菠菜的電化學(xué)奇跡的人，盡管其他研究也曾將這種綠葉蔬菜用于其他用途。例如，2014年的一項(xiàng)研究從菠菜中提取活性炭來(lái)制造電容器電極，而最近的一篇論文將菠菜基納米復(fù)合材料作為光催化劑。菠菜除了富含鐵和氮(這兩種元素都是ORRs的必需成分)，而且易于種植，而且“比鉑金要便宜得多，”Zou補(bǔ)充道。

起初，這種以菠菜為原料的催化劑的制備聽(tīng)起來(lái)很像制作一種像奶昔配方，令人存疑，首先將新鮮的葉子洗凈，然后磨成汁，然后冷凍干燥，這種凍干的果汁然后被磨成粉末，三聚氰胺加入其中作為氮促進(jìn)劑。像氯化鈉和氯化鉀這樣的鹽很像廚房里用的食鹽，這些鹽被添加進(jìn)去，對(duì)于形成小孔增加反應(yīng)的表面積是必要的。納米薄片是由菠菜-三聚氰胺-鹽復(fù)合材料在900攝氏度下經(jīng)過(guò)幾次熱解而制成的。“顯然……我們可以?xún)?yōu)化制備這種材料的方式(使其更高效)。”

一個(gè)有效的催化劑意味著一個(gè)更快，更有效的反應(yīng)。就燃料電池而言，這可以增加電池的能量輸出。這就是納米薄片的多孔性起作用的地方。“盡管我們稱(chēng)它們?yōu)榧{米薄片，”Zou說(shuō)，“但當(dāng)它們堆在一起時(shí)，就不像一堆堅(jiān)實(shí)的紙了。“鹽的添加創(chuàng)造了小孔，讓氧氣可以穿透材料，而不是只進(jìn)入外表面。”“我們需要讓它具有足夠的滲透性，以便……所有活躍的點(diǎn)都可以被利用。”

美國(guó)大學(xué)研究小組對(duì)菠菜青睞有加的另一個(gè)因素是，它是一種可再生的生物質(zhì)資源。“可持續(xù)發(fā)展是我們考慮的一個(gè)非常重要的因素，”Zou說(shuō)。他補(bǔ)充稱(chēng)，有待探索的一個(gè)大問(wèn)題是，我們?nèi)绾尾拍鼙苊?ldquo;與餐桌上的飯”競(jìng)爭(zhēng)。(生物燃料生產(chǎn)已經(jīng)引起人們對(duì)糧食作物會(huì)從饑餓的肚子轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的擔(dān)憂(yōu)。)“第二個(gè)問(wèn)題是，我們?nèi)绾卧诖呋瘎┲苽溥^(guò)程中降低碳足跡……因?yàn)槟壳拔覀冊(cè)谥苽溥^(guò)程中使用了高溫。如果我們能找到不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，從而獲得相同類(lèi)型的材料，這將減少能源消耗，并顯著減少碳足跡。”

盡管結(jié)果很有希望，但還有很長(zhǎng)的路要走。Zou提醒說(shuō)，到目前為止，這項(xiàng)研究只是一個(gè)原則性的證明。“在談到實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們需要非常小心，因?yàn)樵?實(shí)驗(yàn)室)條件下表現(xiàn)出色的東西，可能會(huì)在實(shí)際設(shè)備中變得更具挑戰(zhàn)性。”他還說(shuō)，另一個(gè)需要進(jìn)一步研究的方面是，盡管菠菜衍生的催化劑在堿性條件下的性能優(yōu)于鉑基催化劑，但在酸性介質(zhì)中的性能就沒(méi)有那么高效了。“所以很明顯，我們還需要做一些調(diào)整，看看他們是否能在一定的pH范圍內(nèi)工作。”

一個(gè)完整的原型顯然是下一步，在燃料電池中測(cè)試從菠菜中提取的催化劑。Zou承認(rèn)：“這是我的實(shí)驗(yàn)室目前沒(méi)有的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。”“我們正在考慮與其他團(tuán)隊(duì)合作，或者我們可以在這個(gè)領(lǐng)域積累專(zhuān)業(yè)知識(shí)，因?yàn)檫@是必要的一步。”