【儀表網 儀表科普】化石能源的大量使用帶來了嚴重的環境污染和能源危機。可以預見，在不久的將來，人類社會的能源利用方式將從有限的碳基化石能源轉換到無盡的可再生能源。燃料電池和金屬空氣電池在這類能源轉換中扮演著重要的角色。
 

　　燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料；同時沒有機械傳動部件，故沒有噪聲污染，排放出的有害氣體極少。由此可見，從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是有發展前途的發電技術。
 

　　當前，燃料電池中一直使用的是昂貴的Pt催化劑；據報道，Pt催化劑占到整個燃料電池成本的20%左右，這是導致這類高效能源器件尚未得到大規模使用的重要原因之一。
 

　　Pt催化劑的作用機理：
 

　　鉑由于有很高的化學穩定性和催化活性，因此，應用很廣。多用來制造耐腐蝕的化學儀器，如各種反應器皿、蒸發皿、坩堝、電極、鉑網等，也用于制造首飾、坩堝、特種容器和標準量具衡具，充當催化劑，與鈷合制強磁體。鉑耐蝕、耐酸(王水除外)。鉑和鉑銠合金常用作熱電偶，來測定1200~1750℃的溫度。在化學工業中常用作催化劑，鉑在氫化、脫氫、異構化、環化、脫水、脫鹵、氧化、裂解等化學反應中均可作催化劑 。
 

　　因此，發展具有高活性和穩定性的低成本電催化材料依然具有極大挑戰。
 

　　近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員王家成和中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員楊明輝(共同通訊作者)聯合英國愛丁堡大學教授J. Paul Attfield(共同通訊作者)和印度理工學院教授Tiju Thomas發現鋯基材料表現出可取代貴金屬Pt催化劑的巨大潛力。Pt金屬儲量非常稀少，價格非常昂貴，高達約300元每克；相比較，Zr金屬儲量豐富，價格僅為Pt的1/700。
 

　　在該研究中，科研人員采用一種溫和的urea-glass方法，在更低的溫度下制備出了高活性ZrN納米顆粒，研究表明其具有比肩商用Pt催化劑的活性。此外，ZrN還表現出了比Pt更優異的長期使用穩定性。在實際的鋅空氣電池測試中，商用Pt催化劑使用一段時間后性能衰減明顯；而ZrN催化劑性能衰減要緩慢很多。
 

　　氮化鋯(Zr-N)化合物隨著成份的變化而有多種晶體結構，它們不但具有優異的化學性質，不僅可以用在Josephson結，擴散式迭層，低溫度計等，還可以使用在三維集成電線圈，金屬基晶體管上。同時這些Zr-N化合物在耐磨、抗氧化和抗腐蝕等方面優于純鋯，而且具有較高的超導臨界溫度，所以可以有可能成為很好的超導體，具有很高的使用價值。
 

　　未來，該研究團隊將進一步和產業界合作，努力將該實驗室研究成果轉換成實際的創新產品，這將有助于清潔能源的大規模使用，并有望為解決能源危機和環境污染問題作出貢獻。
 

    資料來源：上海硅酸鹽研究所、百度百科