菠菜，这种富含营养的绿色蔬菜，不仅为人类提供能量，还有潜力帮助燃料电池提供动力，根据美国大学化学系研究人员的一项新论文。当菠菜从可食用的叶子形式转化为碳纳米片时，它作为燃料电池和金属-空气电池中氧还原反应的催化剂。
氧还原反应是燃料电池和金属-空气电池中的两种反应之一，通常是较慢的反应，限制了这些设备的能量输出。研究人员早就知道某些碳材料可以催化这种反应。但是这些基于碳的催化剂并不总是比传统的基于铂的催化剂表现更好。美国大学的研究人员希望通过使用容易获得的自然资源，找到一种廉价且毒性较小的制备高效催化剂的方法。他们通过使用菠菜解决了这个挑战。
这项工作表明，可持续的催化剂可以从自然资源中制造出来，用于氧还原反应，美国大学化学教授、论文的主要作者Zou Shouzhong说。我们测试的方法可以从菠菜中产生高度活性的基于碳的催化剂，菠菜是一种可再生的生物质。事实上，我们相信它在活性和稳定性方面都优于商业铂催化剂。这些催化剂可能适用于氢燃料电池和金属-空气电池。
Zou的前博士后学生Xiaojun Liu和Wenyue Li以及本科生Casey Culhane是论文的合著者。
催化剂加速氧还原反应以产生足够的电流并产生能量。这项研究的实际应用包括燃料电池和金属-空气电池，它们为电动汽车和各种军事装备提供动力。研究人员在实验室和原型中使用从植物或植物产品（如香蒲草或大米）衍生的催化剂取得了进展。Zou的工作是首次使用菠菜作为制备氧还原反应催化剂的材料。菠菜是这项工作的良好候选者，因为它能在低温下生存，丰富且易于种植，并且富含铁和氮，这对于这种类型的催化剂至关重要。
Zou和他的学生创造了并测试了这些催化剂，它们是从菠菜中提取的碳纳米片。碳纳米片就像一张厚度在纳米尺度的纸，比人类头发薄一千倍。为了制造纳米片，研究人员将菠菜通过一个多步骤的过程，包括低科技和高科技方法，包括清洗、榨汁和冷冻干燥菠菜，用手动研磨成细粉，并用研钵和杵研磨，以及用额外的氮掺杂得到的碳纳米片以提高其性能。
测量结果显示，菠菜衍生的催化剂比可能会随着时间推移而失去效力的昂贵铂基催化剂表现更好。
研究人员的下一步是将实验室模拟中的催化剂放入原型设备中，如氢燃料电池，以查看其性能并从其他植物中开发催化剂。Zou还希望通过减少过程所需的能量消耗来提高可持续性。