叶脉结构可以延长电池寿命

据国际科学家团队称，叶片内的天然结构可以改善从可充电电池到高性能气体传感器等各种性能。研究人员设计了一种多孔的，如叶子的静脉，可以使能量转移更有效。该材料可以改善可充电电池的性能，优化充电和放电过程并减轻电池电极内的应力，这在目前限制了它们的寿命。相同的材料可用于高性能气体传感或催化分解水中的有机污染物。

为了设计这种生物启发材料，由来自，英国，和比利时的科学家组成的国际团队正在模仿被称为“墨累定律”的规则，该规则帮助自然生物生存和生长。根据该定律，在这种生物系统中存在于不同尺度上的整个孔隙网络以促进液体转移和最小化整个网络阻力的方式相互连接。例如，树木或叶脉的植物茎通过定期分枝到较小的鳞片来优化光合作用的营养物流，同时具有高效率和最小能量消耗。以相同的方式，昆虫的气管孔的表面积沿着扩散途径保持恒定，以最大化气态形式的二氧化碳和氧的输送。

该团队由苏宝莲教授领导，他是剑桥大学克莱尔大厅的终身会员，同时也在武汉理工大学和比利时那慕尔大学工作，他们修改了默里的法律，制作了首先是合成的'Murray材料'，并将其应用于三个过程：光催化，气体传感和锂离子电池电极。他们发现，合成材料的多尺度多孔网络显着提高了这些工艺的性能。

苏教授说：“这项研究表明，通过从生物学中调整默里定律并将其应用于化学，材料的性能可以得到显着改善。适应性可以使各种多孔材料受益，并改善功能陶瓷和纳米金属用于能源和环境应用。“ “将Murray定律概念引入工业过程可以彻底改变反应堆的设计，提高效率，最小化能源，时间和原材料消耗，实现可持续发展的未来。”

该团队本周在Nature Communications上撰文，介绍了如何使用氧化锌(ZnO)纳米粒子作为其Murray材料的主要构建块。这些纳米颗粒在其中含有小孔，形成多孔网络的最低​​水平。该团队通过逐层蒸发驱动的自组装过程来安排ZnO颗粒。这在颗粒之间产生第二层多孔网络。在蒸发过程中，由于溶剂蒸发，颗粒也形成较大的孔，这代表孔的顶层，产生三层Murray材料。该团队成功地制造了这些多孔结构，其具有符合Murray定律所需的精确直径比，从而实现了跨多层孔隙网络的材料的有效转移。

剑桥石墨烯中心的合着者，Tawfique Hasan博士是大学工程系的一部分，他补充道：

“这是Murray材料制造工艺的首次演示非常简单，完全由纳米粒子自组装驱动。这种多孔材料的大规模可制造性是可能的，使其成为一种令人兴奋的技术，对许多应用具有潜在影响。 “

凭借其合成的Murray材料，在孔隙水平之间具有精确的直径比，该团队通过使用光催化技术证明了有机染料在水中的有效分解。这表明染料容易进入多孔网络，导致有效和重复的反应循环。该团队还使用相同的Murray材料，其结构类似于昆虫的呼吸网络，用于快速和灵敏的气体检测，具有高重复性。

该团队证明其Murray材料可显着改善锂离子存储的长期稳定性和快速充电/放电能力，与目前锂离子电池电极中使用的最先进石墨材料相比，其容量提高了25倍。孔的分级特性还减少了在充电/放电过程中这些电极中的应力，改善了它们的结构稳定性并且导致能量存储装置的更长寿命。

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