2004年9月15日
利用以前被认为是讨厌的电化学现象，研究人员格鲁吉亚理工学院已经开发了一类新的三维纳米多孔电极，可以提高燃料电池、电池和传感器的性能。
通过在铜基底上沉积铜、锡或铜锡合金的过程中产生氢气气泡，研究人员创造出含有相互连接的复杂孔隙网络的自支撑金属泡沫电极。由于气泡在离开衬底时膨胀，它们在沉积的金属中形成通道，越靠近电极的外侧通道就越宽。
锥形通道可以让气体和液体更容易地通过这些“功能分级”电极，提高固体氧化物燃料电池、锂电池和化学传感器的性能。该结构的纳米多孔性提供了一个大的表面积，电化学反应可以在其上发生。
佐治亚理工学院材料科学与工程学院的刘梅林教授解释说:“通过调整电解质的特性——粘度和化学成分——我们可以改变产生的气泡的大小。”亚博网站下载亚博老虎机网登录“让气泡足够小，让我们可以制造出三维纳米结构，其中孔隙内部很小，但外部逐渐变大。”
这项由美国能源部基础能源科学办公室支持的研究已在《先进材料》杂志上发表。亚博网站下载亚博老虎机网登录另外一篇描述铜锡合金电极的制备及其在锂电池中的应用的论文已被《先进功能材料》杂志接受发表。亚博网站下载
现有的生产功能梯度电极的技术需要沉积多层材料，每层材料都有不同的孔隙结构。每一层都必须在热和化学上相容，并且能够导电。因此，刘和他的合作者申宪哲(Heon-Cheol Shin)和董建(Jian Dong)开发的这一工艺提供了一种更简单的生产电极的方法，可以促进液体和气体的移动。
“在我们的电极中，梯度是自然创建的，非常适合我们的需求，”Liu解释说，他是佐治亚理工学院创新燃料电池和电池技术中心的联合主任。“这就是这个过程的真正用途。你可以避免创建多个图层的复杂性。”
之前制造金属泡沫的努力一直受到结构缺陷的困扰，电极上的通道会导致它们坍塌。刘和他的团队已经解决了这个问题，他们小心地控制了气体演化和金属沉积的竞争性反应速率，形成了机械支撑良好且稳定的树枝状分支。
生产氢气泡是创造孔隙结构的基本雕刻工具。该气体作为结构形成的动态模板，并作为一个屏障，阻止活性离子从电解质扩散到离子耗尽的分支周围区域，防止通道的过度生长。
在电化学沉积过程中，产氢通常是不可取的，因为它会降低生成的金属薄膜的密度。
新电极的厚度从几微米到15微米不等，这取决于所使用的材料和加工时间。亚博网站下载Liu预计，铜基电极将用于固体氧化物燃料电池，而锡基电极将用于锂电池。
显微镜下的研究揭示了铜电极和锡电极之间的细微差别。锡矿床的分支比铜矿床的分支更长、更直。泡沫铜还含有在锡结构中看不到的纳米大小的晶粒和孔隙。
Liu认为，这种差异可能与铜电极沉积过程中，沉积的铜和衬底都会产生气泡有关。在锡电极中，只有衬底会产生气泡。
虽然这种新型电极还没有在燃料电池或电池中测试过，但刘预计它们将显著提高能量输出。
他说:“这些电极将显著降低质量传输的阻力，因为气体可以很容易地流入。”“纳米结构还提供了非常高的表面积，因此电荷转移可以更容易地发生。因此，电极的总电阻会降低，而能量产生会增加。”
到目前为止，研究人员只生产了小的电极样品，一般只有两平方厘米大小。刘认为没有理由不将该工艺按比例放大以生产更大的电极，但目前他正专注于更好地理解影响最终材料的工艺参数。亚博网站下载
“我们正试图通过改变过程条件来了解该过程以及如何通过改变过程条件来控制和定制纳米结构。“一旦我们完全了解如何控制结构，下一步就是使电极用于电池和燃料电池中的实际应用。”
在未来，研究人员还计划研究是否可以用其他金属、金属氧化物和合金制造纳米多孔电极。
作为高温固体氧化物燃料电池的专家，刘多年来一直在研究潜在的效率提升。这种新工艺是不断努力提高燃料电池和电池效率的结果。
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