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废弃蛋壳变身电极材料

日期:2016-06-22

图说:(a)实验用蛋壳作为反应装置(b)反应系统说明

 

美国人每年消耗约760亿个鸡蛋,虽然有一些蛋壳用于肥料或膳食补充剂,但大多数蛋壳都会被扔掉。美国韦恩州立大学的最新研究发现,可以回收蛋壳用作“化学反应堆”去合成含硫纳米棒制作成电池电极,可以有效提高电池的性能。

“每天有大量的鸡蛋被消耗,但处置蛋壳垃圾仍然是一个挑战性的任务。”研究团队负责人 Da Deng解释说,“直接使用废弃的蛋壳作为一个独特的反应系统,在蛋壳膜的蛋白纤维上合成一维纳米棒阵列。我们准备在碳纤维上的复合晶体Co9S8纳米棒阵列,以证明制作锂和钠电池性能的良好前景。”

蛋壳有两个主要组成部分:坚硬的外壳,主要成分是碳酸钙;薄膜位于外壳的内部。细胞膜是由含有硫和碳的蛋白纤维组成。

为了既有的用途回收蛋壳,如作为化肥,这两部分必须用昂贵的分离设备去分离。而将这些蛋壳作为多功能反应堆回收的优势之一是这两部分不用分开操作。

部分弯曲的坚硬外壳,首先被放置在一个大容器中且接触两种不同的溶液:外部用NaOH,内部用CoSO4。如果这两个溶液迅速接触到对方,他们会反应形成Co(OH)2的晶体微粒。由于壳是半透的,它允许一些OH-从外部缓慢扩散到内部。约四天后,OH-将内部的pH值从4.8提高到7,减少酸性。这为Co(OH)2形成非晶态提供了条件。

非晶态Co(OH)2 形成的优势是在蛋壳膜内形成涂层。涂布膜从溶液中取出并加热约两小时取出,这导致碳化和硫化。蛋白质纤维碳化,意味着它们会变成碳纤维同时释放硫。S与Co(OH)2反应生成硫化钴纳米棒(Co9S8)。硫化钴是一种常用的电池电极材料。

最后的成品——涂有硫化钴纳米棒的碳纤维能很容易变成泥浆作为电池电极。研究发现,最初的电池原型表现出良好的性能,包括在低电流运行超过300周期时仍稳定,虽然在较高电流时容量会减少。这种锂离子电池的循环率优于用硫化钴薄膜作为电极。研究者认为这会改善硫化钴纳米棒的结构。

未来,硫化钴除了用作电池的电极材料还有许多其他用途,如超级电容器、太阳能电池和催化作用。通常制备纳米钴硫化需要高压、有毒、昂贵的材料以及复杂的方法。随着进一步的改进,用蛋壳反应的方法有助于缓解这些问题。此外,用蛋壳作为未来反应堆可能促进用于其他用途的纳米材料的合成。(中国科学报)

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