模擬「肺泡」，可以把水「變成」氫氣

美國斯坦福大學的科學家設計了一種電催化機制，可以將水轉化為燃料，其工作原理類似於哺乳動物的肺。該技術或能幫助現有的清潔能源技術更有效地運行。相關研究近日發表在《焦耳》上。

對大多數生物來說，吸入和呼出的動作都是自動進行的，可能會被誤認為十分簡單，但哺乳動物的呼吸過程實際上是自然界中發現的最複雜的雙向氣體交換系統之一。

每次呼吸時，空氣通過肺部微小的細支氣管到達被稱為肺泡的小氣囊。在那裡，氣體必須進入血液而不是簡單地擴散，這可能導致有害氣泡的形成。但肺泡的獨特結構（包括一層微米厚的膜，它在內部排斥水分子，而在外部表面吸引水分子）阻止了這些氣泡的形成，並使氣體交換變得高效。

斯坦福大學材料科學與工程系Yi Cui實驗室的研究人員從這一過程中獲得了靈感，從而開發出更好的電催化劑——能夠提高電極化學反應速率的材料。該研究第一作者Jun Li表示：「清潔能源技術已經證明了快速向反應界面輸送氣體反應物的能力，但反向途徑——從催化劑/電解質界面生成高效氣體產品——仍具有挑戰性。」

該團隊在結構上模仿了肺泡，並進行了兩個不同的過程，以改進驅動燃料電池和金屬空氣電池等可持續技術的反應。

第一個過程類似於呼氣。這種機制將水分解成氫氣，這是一種清潔的燃料。氧氣則通過一層由聚乙烯製成的類似肺泡的薄膜快速生產和運輸，而不需要形成氣泡的能量成本。第二個過程更像是吸入，通過消耗氧氣的反應產生能量。氧氣被輸送到電極表面的催化劑上，可以作為電化學反應中的反應物。

研究人員表示，雖然仍處於開發的早期階段，但該設計似乎很有前途。與傳統的碳基氣體擴散層相比，超薄的納米聚乙烯膜具有更長時間的疏水性。該模型能夠實現比傳統設計更高的電流密度和更低的過電位。（唐一塵）

相關論文信息：DOI:10.1026/j.joule.2018.11.015

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