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来自凯斯西储大学和北德克萨斯大学的研究人员开发了一种无金属的双功能电催化剂，这种催化剂可用于可充电式锌-空气电池中。该电池也被认为是第一种可与其他金属类以及金属氧化物类锌空气电池相媲美的电池。

众所周知，锂离子电池被广泛用于移动电话、笔记本电脑、电动汽车等领域。和锂离子电池相比，锌空气电池动力更强劲、更耐用、更轻便、更安全，且性价比更高。而这种无金属的电催化剂是以碳为基础，且可充电，能在氧化还原反应中起到很明显的催化作用。和其它材料相比，这种催化剂更加经济环保，其生产过程更简单、更经济。就电池而言，成本始终是一个不可避免的问题，而无金属的催化剂可以降低成本，同时能提高催化效率。这些电池能广泛用于电脑、数据站、照明等方面。

Dai教授来自凯斯西储大学高分子科学与工程学院，同时也是该研究的主要作者。该研究的其他合作者包括来自凯斯西储大学博士后Jintao Zhang、北德克萨斯大学材料科学与工程的Zhenhai Xia教授、博士研究生Zhenghang Zhao。实验部分是由Zhang完成，理论模拟则由Zhao完成。

为了获得电荷，锌空气电池中锌与空气中的氧气在碱性电解质中混合。实验表明，这种电池的密度是锂离子电池的3倍，但是其效果并不明显。为了解决这个问题，研究人员尝试了不同的催化剂。该实验中使用的催化剂是一种稳定的碳泡沫或气凝胶，其空隙直径约为2nm-50nm，这就为电池电极中的离子扩散提供了更大的表面积。

该实验采用的泡沫制造过程是由斯坦福大学的科学家在2012年提出的，过程如下：在一个肌醇六磷酸溶液中，聚合苯胺分子形成长链；之后水凝胶冷冻干燥成气凝胶（苯胺是一种有机化合物）。该实验的创新之处是将这种3D结构碳化，即将其变成石墨碳材料。

研究人员将这种气凝胶在无氧条件下加热到1000℃使其发生热解。在这个热化学反应中，泡沫将变成具有许多石墨烯边缘的石墨网络。这对于催化是非常重要的。“这是一种低成本、一步可完成且可规模化生产的过程。” Dai说。“这种电催化过程比其他材料具有更好的催化效果。”这种泡沫掺杂有氮，因此能提高氧气还原反应；该泡沫中的磷来自肌醇六磷酸。“正如第一性原理模拟计算的结果一样，氮和磷的掺杂可同时促进氧化还原反应。” Xia说。

和铂/金属氧化物催化剂相比，碳泡沫催化剂的性能更优越，且成本更低。不仅如此，这种碳泡沫材料其稳定性更佳。该研究团队正在进一步努力优化该过程。他们正在努力尝试在石墨碳材料中掺杂不同的元素，以便其能运用到其他环境和能源领域。更早之前，Dai实验室获得了一种碳基催化材料，这种材料比金属基催化材料的性能更好。“也许将无金属催化材料商业化的时候已经到了。”Dai说。

该研究发表在《自然 纳米技术》杂志上。该研究由美国国家科学基金会和科学研究空军办公室资助完成。

新材料在线编译整理——翻译：杨超，校对：摩天轮