用于乙醇燃料電池的新型核殼催化劑

美國(guó)能源部(DOE)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿肯色大學(xué)的科學(xué)家已開發(fā)出一種高效催化劑，用于從乙醇中提取電能，乙醇是一種易于儲(chǔ)存的液體燃料，可由可再生資源產(chǎn)生。“ 美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志”中描述的這種催化劑將乙醇的電氧化控制在理想的化學(xué)途徑中，從而釋放液體燃料的儲(chǔ)存能量的全部潛力。

“這種催化劑可以改變游戲規(guī)則，使乙醇燃料電池成為一種有前途的高能量密度”離網(wǎng)“電源，”負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家賈望說。一個(gè)特別有前景的應(yīng)用：液體燃料電池驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)。

“與電池相比，乙醇燃料電池重量輕。它們可以為使用液體燃料操作無人機(jī)提供足夠的動(dòng)力，即使在偏遠(yuǎn)地區(qū)也能輕松補(bǔ)充液體燃料，”Wang指出。

大部分乙醇的潛在能量被鎖定在形成分子骨架的碳 - 碳鍵中。王氏集團(tuán)開發(fā)的催化劑表明，在正確的時(shí)間打破這些債券是解鎖儲(chǔ)存能源的關(guān)鍵。

“乙醇的電氧化每分子可產(chǎn)生12個(gè)電子，”王說。“但是，通過遵循許多不同的途徑，反應(yīng)可以取得進(jìn)展。”

大多數(shù)這些途徑導(dǎo)致不完全氧化：催化劑使碳 - 碳鍵保持完整，釋放出更少的電子。它們還在該過程的早期剝離氫原子，使碳原子暴露于一氧化碳的形成，這會(huì)使催化劑隨時(shí)間推移起作用的能力“中毒”。

研究團(tuán)隊(duì)的Brookhaven Lab成員開發(fā)并表征了一種新的核 - 殼催化劑，用于乙醇(l至r)的完全電氧化：Radoslav Adzic，Zhixiu Liang，Jia Wang，Eli Stavitski和Liang Song。圖片來源：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

“乙醇的12電子全氧化需要在過程開始時(shí)斷開碳 - 碳鍵，而氫原子仍然附著，因?yàn)闅浔Ｗo(hù)碳并防止形成一氧化碳，”王說。然后，需要多個(gè)脫氫和氧化步驟來完成該過程。

這種新型催化劑結(jié)合了布魯克海文科學(xué)家一直在探索一系列催化反應(yīng)的獨(dú)特核殼結(jié)構(gòu)中的活性元素，加速了所有這些步驟。

為了制造催化劑，阿肯色大學(xué)的Jingyi Chen在該項(xiàng)目的一部分期間擔(dān)任布魯克海文的訪問科學(xué)家，開發(fā)了一種合成方法，將鉑和銥共沉積在金納米粒子上。鉑和銥在金納米顆粒的表面上形成“單原子島”。陳指出，這種安排是催化劑卓越性能的關(guān)鍵因素。

“黃金納米粒子核心在鉑 - 銥單原子島中引起拉伸應(yīng)變，這增加了這些元素切割碳 - 碳鍵的能力，然后剝離了它的氫原子，”她說。

石溪大學(xué)研究生和該論文的第一作者Zhixiu Liang在Wang的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了研究，以了解催化劑如何實(shí)現(xiàn)其創(chuàng)紀(jì)錄的高能量轉(zhuǎn)換效率。他使用“原位紅外反射 - 吸收光譜”來鑒定反應(yīng)中間體和產(chǎn)物，將新催化劑產(chǎn)生的那些與使用金 - 核/鉑 - 殼催化劑和鉑 - 銥合金催化劑的反應(yīng)進(jìn)行比較。

示意圖顯示了金納米顆粒表面(黃色)上的鉑(綠色)和銥(藍(lán)色)的“單原子島”如何能夠在沒有一氧化碳中毒的情況下實(shí)現(xiàn)乙醇的完全12電子氧化。該圖表示新催化劑(Au @ PtIr)與其他三種催化劑相比產(chǎn)生的峰值電流顯著更高：金核/銥殼(Au @ Ir); 銥/鉑合金(IrPt); 和金芯/鉑殼(Au @ Pt)。圖片來源：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

“通過測(cè)量紅外光在反應(yīng)的不同步驟被吸收時(shí)產(chǎn)生的光譜，這種方法使我們能夠在每一步跟蹤形成的物種和每種產(chǎn)品的含量，”梁說。“光譜顯示新催化劑將乙醇引向12-電子全氧化途徑，釋放出燃料儲(chǔ)存能量的全部潛力。”

Wang指出，下一步是設(shè)計(jì)采用新催化劑的設(shè)備。

本研究揭示的機(jī)械細(xì)節(jié)也可能有助于指導(dǎo)未來多組分催化劑在其他應(yīng)用中的合理設(shè)計(jì)。

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