研究人员探讨NiO/石墨烯作为电催化剂在燃料电池中的应用

据外媒报道，随着世界向净零碳排放迈进，需要具有增强性能的低成本绿色技术，以满足未来能源需求。研究人员大量挖掘领先材料，以解决绿色技术带来的问题。为了探讨镍氧化物系统作为燃料电池替代电催化剂的潜力，Springer Proceedings in Physics系列从书中发表了一篇会议论文。

（图片来源：AZOM）

燃料电池：让世界摆脱对化石燃料的依赖
研究人员认为，燃料电池技术有助于结束世界对化石燃料的依赖。这些技术具有较高的能量密度，能够减少碳排放，有助于应对气候变化。在这种电池中，燃料的能量被转换成电能，但是燃料的电氧化速度很慢，需要使用电催化剂。
传统燃料电池以钯和铂纳米颗粒等贵金属为电催化剂，这些资源比较稀缺，而且有毒，使其效率降低。将这些贵金属与镍和钌等过渡金属制成合金，可以减少中毒风险和资源需求。过渡金属氧化物因储量丰富、具有增强电化学性质和稳定性、无毒等特点，成为贵金属的合适替代品。这类金属氧化物具有多个氧化态，能够提供不同的电氧化反应位点，并产生不同的结合能。此外，带电实体无需混合即可固定在过渡金属氧化物表面。但是，这种材料也存在一些缺点，比如导电性差会影响电催化活性。

提高氧化镍的电催化性能
为了解决氧化镍存在的问题，研究人员提出使用石墨烯来生产复合材料，并已将石墨烯与纳米粒子和聚合物共同应用于诸多领域，如储能设备和电化学传感器等。石墨烯可以为复合材料引入更多的活性位点，减少活性材料聚焦结块（active material agglomeration），从而提高稳定性和效率。

创建氧化镍/石墨烯电催化剂
该论文中阐述的研究表明，所开发的氧化镍/石墨烯纳米复合材料，可用作葡萄糖氧化反应的电催化剂。
将六水氯化镍添加到室温十二烷基硫酸钠/氧化石墨烯水溶液中以合成纳米复合材料。通过剧烈搅拌产生均匀的溶液，向其中加入尿素和乙醇。该溶液经160℃热处理，在高压釜中加热10小时，然后将所得干燥粉末在500℃下退火5小时，以产生氧化镍/石墨烯纳米复合材料。
对氧化镍颗粒的分析表明，在没有石墨烯存在的情况下，纳米棒状形态会发生聚集。而在复合材料中，这些纳米颗粒均匀地分散在石墨烯上，进一步防止了聚集。据观察，这些纳米复合材料为介孔结构，具有狭缝状孔隙，这是由氧化镍纳米粒子的局部聚集造成的。与纯氧化镍纳米颗粒相比，该纳米复合材料的葡萄糖氧化物还原能力提高了两倍。这是由于石墨烯纳米片阻止氧化镍聚集，并促进了电极界面的电子传递。
此项研究创建的新型燃料电池，进一步表现增强特性。与纯氧化镍纳米颗粒相比，稳定性和电流密度都有明显提高。在测试过程中，新型葡萄糖燃料电池的开路电压达到0.756 V。此外，在微生物燃料电池中，这种纳米复合材料的功率密度为3.63Wm-2。
此项研究得出的结论是，该纳米复合材料之所以具有优异的电催化活性，是因为其比表面积大，并且通过开发氧化镍纳米颗粒电网络（electrical network），改善了石墨烯表面的电子传递。另外，氧化镍-石墨烯纳米复合材料/铂的组合也表现出较强的氧化还原能力和稳定性。

未来发展
该论文提出的研究表明，氧化镍/石墨烯纳米复合材料具有明显的电催化剂潜力。这使其成为一种有吸引力的燃料电池材料，可用于众多行业中的各种领先设备。