金属电极

研究人员开发了一种不含金属的果冻状材料，它像生物组织一样柔软而坚韧，同时可以像传统金属一样导电。图片来源：美国麻省理工学院据最新一期《自然材料》杂志报道，美国麻省理工学院领导的国际团队开发出一种不含金属的、类似果冻的材料，它像生物组织一样柔软和坚韧，同时可像传统金属一样导电。这种材料可制成打印墨水，有朝一日或成为功能性凝胶基电极，且具有生物组织的外观和手感。研究人员表示，胶状电极有可能取代金属来刺激神经，并与心脏、大脑和身体其他器官连接。研究人员希望导电聚合物和水凝胶的结合将产生一种灵活的、生物相容的和导电的凝胶。但到目前为止制造的材料要么太脆弱，要么电气性能很差。为了分别保持导电聚合物和水凝胶的电气和机械强度，这两种成分应该以一种略有排斥的方式混合，这种状态被称为相分离。在这种略微分离的状态下，每种成分都可将各自的聚合物连接起来，形成细长的微观链，同时也可以作为一个整体混合。研究人员将其称为具有电气和机械性能的“意大利面”。其中“电气意大利面”是一种导电聚合物，可通过材料传递电流；而“机械意大利面”就是水凝胶，可传递机械力，而且由于它也是连续的，所以很坚韧有弹性。研究人员调整了配方，将“意大利面”煮成墨水，通过3D打印机输入，并打印到纯水凝胶薄膜上，图案类似于传统的金属电极。研究人员将打印的果冻状电极植入大鼠的心脏、坐骨神经和脊髓。在动物身上测试了长达两个月后这些设备始终保持稳定，几乎没有导致周围组织产生炎症或疤痕。电极还能够将来自心脏的电脉冲传递给外部监测器，并将微小脉冲传递到坐骨神经和脊髓，进而刺激相关肌肉和四肢的运动。研究人员设想，未来这种新材料能应用于心脏手术患者的恢复，可用作器官和长期植入物（包括起搏器和深部脑刺激器）之间的软电子接口。

p style="text-indent: 2em "日本筑波大学的研究人员研制出一种石墨烯电极，能在酸性条件下产生氢气。在绿色经济中，电解水产生氢气对于储能至关重要。然而，主要的障碍之一是贵金属电极的成本太高。廉价的金属电极在驱动析氢反应（HER）中起着很好的作用，但主要是在碱性条件下，反应是弱电性的。更有效的酸相反应需要贵金属例如铂。但问题是，酸性电解液具有腐蚀性，会侵蚀核心金属。/pp style="text-indent: 2em "研究人员发现多孔石墨烯可以解决这个问题。他们使用氮掺杂石墨烯片来封装镍-钼（NiMo）电极合金，石墨烯含有大量纳米级的孔。研究人员表明，在酸性条件下的HER中多孔石墨烯明显优于无孔石墨烯。石墨烯在HER电极中的使用并不新鲜，这种柔性导电碳片是包裹核心金属的理想材料，不过石墨烯虽然能保护金属免受腐蚀，同时也抑制了它的化学活性。在筑波大学的研究中石墨烯的孔以两种方式促进反应，与此同时完整的石墨烯可以保护金属。/pp style="text-indent: 2em "“我们通过用纳米二氧化硅修饰NiMo表面的方法创造了孔，”研究者之一的筑波大学胡凯龙博士解释说。“当我们沉积石墨烯层时，在纳米颗粒的位置留下了空白，就像浮雕艺术品。事实上，这些孔不仅仅是缝隙，而是“条纹”（fringes）。从技术上讲，这些条纹是结构缺陷，但它们可以促进电极的化学反应。/pp style="text-indent: 2em "研究小组解释说，与普通的石墨烯相比，条纹更亲水。可以吸引在酸溶液中的水合氢（H3O+），H3O+在两种HER机制之一中起着至关重要的作用。这些条纹在吸附单个氢原子方面也很好，也为其他重要的HER过程提供了表面积。结果表明与这种电极与常规电极产生H2的效果一样。同时石墨烯的非多孔部分延缓了金属催化剂在酸中的溶解。“这是氢析出电极的一个多用途的新概念，”筑波大学的副教授Yoshikazu Ito说，他是这项研究的主要作者。“我们的目标是最小化反应所需的过电位，因此不限于一种特定的催化剂。我们通过优化孔的大小和数量来调整我们的多孔石墨烯层，特别是对NiMo。令人惊讶的是，尽管有很多孔，催化剂在酸性条件下仍然能保持稳定。在未来，很多金属都可以定制多孔石墨烯，推动氢生产的全面应用。/p

据美国物理学家组织网近日报道，澳大利亚科学家在最新一期的《物理评论快报》杂志上报告称，他们研制出一种属性与玻璃类似的新型金属化合物，并用其替代塑料与碳纳米管结合制成新的场发射电极。该场发射电极能制造出稳定的电子束，有望用在消费电子和电子显微镜等领域。　　以前，科学家们主要通过将碳纳米管和其他纳米材料内嵌于塑料中来制造场发射电极。这些场发射电极尽管种类繁多且容易制造，拥有很大应用潜力，但其瑕疵也很多，比如，塑料的导电能力太弱 塑料的热稳定性很低，无法对抗长时间操作产生的大量热量。　　现在，澳大利亚莫纳什大学的科研团队和澳大利亚联邦科学与工业研究组织下属的过程科学和工程研究院的科学家携手，研发出了一种新的应用潜力很大且容易制造的材料——非晶块金属玻璃(ABM)，并用其代替塑料制造出场发射电极。当这些非晶块金属玻璃合金冷却时会形成非晶材料，让它们的一举一动更像玻璃。　　这种非晶块金属玻璃合金由镁、铜和稀土族元素钆制造而成，拥有很多塑料特有的特性 可顺应很多形状、大批量地制造并能作为碳纳米管的有效基体。除了具有优良的导电性之外，这种金属玻璃也拥有非常稳定的热性，这意味着，即使经受高温，它也能保持其形状和耐用性。科学家们表示，以上诸多优势和其卓越的电子发射属性，使得这种非晶块金属玻璃成为制造电子发射设备的最好材料之一。　　尽管以前也有科学家研制出了其他由大块金属玻璃和碳纳米管组成的复合材料，但这是这样的系统首次用于制造场发射电极这样的功能性设备。科学家们表示，这项技术可被用于制造电子显微镜、微波和X射线生成设备以及现代显示设备等。