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劍橋研究團隊發現葉脈結構可能為延續電池壽命關鍵
作者:駐英科技組 現職:駐英科技組
文章來源:摘譯自英國劍橋大學2017年4月6日
發佈時間:2017.07.31
據國際研究團隊指出:大自然中葉脈的結構構造可以改善許多事物的效能,如從充電電池到高效能氣體偵測器。這項研究設計出一種脈狀結構的多孔洞性材料,如同在葉脈裡所見的,可以更有效地傳遞能量、改善充電電池的效能、最佳化其充電及放電過程,而且降低電池電極內部的應力(目前此為限制電池壽命的主要原因)。同樣的材料也可以用於高效能的氣體偵測或是催化水中有機汙染物的分解。為了設計這樣子的仿生材料,由中、英、美國及比利時所組成的國際研究團隊,借鏡自然界有助生物存活與生長的規則Murray’s law。根據Murray’s law,在不同大小尺度的生物系統,其孔洞網絡是以促進液體的轉移、將整個網絡的阻力最小化的方式而相互連結。舉例而言,樹木的莖幹或是葉脈藉由不斷分出細枝的方式,降低能量耗損,使光合作用產生的養分得以高效率流動。同樣地,昆蟲氣管孔的表面積在擴散的路徑裡,總是保持恆定值,以最大化氣態的二氧化碳與氧氣的交換效率。研究團隊由劍橋大學的蘇寶連教授(Prof. Bao-Lian Su)領導,改編Murray’s law,首度合成出「Murray material」並應用於光催化、氣體偵測與鋰電池電極當中,也發現他們合成出的多種尺度的孔洞網路顯著的提升3者的效能。
蘇教授表示:「這項研究藉由改編生物界的Murray’s law,將其應用在化學領域上,材料的效能因而顯著增加。此研究將造福多種孔洞材料,也能改進用於能源或是環保領域的功能性陶瓷材料以及奈米金屬。將Murray’s law的概念引進工業製造,有可能改革反應器的設計方式,大幅強化其效能,最小化其耗能、耗時以及原料耗損,打造永續未來。」
這篇研究發表在本週的自然通訊(Nature Communication)期刊裡,內容描述是如何利用氧化鋅的奈米粒子,作為Murray材料的原始建材,這些內含小孔洞的奈米粒子組成多孔網絡的最低階層。研究團隊以氣化層堆自組裝的方法排列氧化鋅粒子,在粒子間形成孔洞網路的第二階層結構。在氣化過程中,由於溶劑蒸發,奈米粒子間也會形成更大的孔洞,為孔洞網絡的最高階結構,Murray材料因而有三階層的構造。研究團隊成功以遵循Murray’s law的精密直徑比的方式,製造出這些孔洞結構,達成多階孔洞網絡間、高效的物質傳遞。
本研究的共同作者Tawfique Hasan博士(隸屬於劍橋工程系的石墨烯中心)補充說:「這是首次展示出Murray材料製造過程可以是難以置信地簡單,且完全是由奈米粒子的自組裝反應所驅動。大規模地製造這種孔洞材料是可行的,使這份研究成為令人振奮的致能技術(enabling technology,見註釋),在許多應用上很可能造成廣大影響。」
研究團隊運用人造Murray材料中其孔洞階層間的精密直徑比,在光催化反應中也展現出水中的有機染料可被快速分解,這表示染料分子更容易進入Murray材料的孔洞網路,完成有效率、不斷重複的循環反應。在氣體偵測上,研究團隊也使用相同化學成分、但結構相近於昆蟲呼吸道網絡的Murray材料,結果可快速並靈敏偵測氣體,並可重複使用多次。另外也證實Murray材料可以顯著改善電池長期儲存鋰離子的穩定性,並可快速充電釋能,相當於25倍現今使用石墨材料作為電極的鋰離子電池。孔洞階層化的特性也可減輕充放電過程中產生的電極內部應力,改善電極結構穩定性,儲能器材的壽命也因而增長。研究團隊也預期相同策略可以有效運用在能源與環保領域的材料設計上。
註:「Enabling Technology」,譯為致能技術,係指有能力造成生活方式上劇變的技術,且可快速發展接下來的衍生技術,例如網路、雲端技術及3D列印。
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