新型乙醇燃料电池芯壳催化剂又有新进展？

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室和阿肯色大学的纽约科学家已经开发出一种高效的催化剂，可以从乙醇中提取电能，乙醇是一种易于储存的液体燃料，可以从可再生资源中产生。

布鲁克海文实验室的研究团队成员开发并表征了一种新型的用于乙醇完全电氧化的核壳催化剂：Radoslav

《美国化学学会杂志》上描述了这种催化剂，它将乙醇的电氧化作用引导到一个理想的化学途径上，释放出液体燃料的全部储存能量。

领导这项工作的布鲁克海文实验室化学家贾旺（音译）说："这种催化剂改变了游戏规则，使乙醇燃料电池成为一种有前途的高能量密度的'离网'电源。"一个特别有前途的应用：液体燃料电池驱动的无人机。

"与电池相比，乙醇燃料电池更轻。他们将为使用液体燃料的无人机提供足够的动力，这种液体燃料即使在遥远的地方也很容易在航班之间补充燃料。

乙醇的大部分潜能都被锁定在碳-碳键中，碳-碳键构成了分子的骨架。研究团队开发的催化剂显示，在正确的时间打破这些键是释放储存能量的关键。

研究人员说："乙醇的电氧化可以产生每个分子12个电子。""但这种反应可以通过遵循许多不同的途径来进行。"

这些途径中的大多数导致不完全氧化：催化剂保持碳-碳键完整，释放更少的电子。他们还在这个过程的早期剥离氢原子，使碳原子暴露在一氧化碳的形成中，一氧化碳会"毒害"催化剂随着时间的推移发挥作用的能力。

乙醇的12电子全氧化需要在过程开始时破坏碳-碳键，而氢原子仍然附着，因为氢保护碳，防止一氧化碳的形成。然后，需要多个步骤的脱氢和氧化来完成这一过程。

这种新型催化剂将活性元素以独特的核壳结构结合在一起，布鲁克黑文的科学家们一直在探索一系列催化反应，从而加速了所有这些步骤。

为了制造这种催化剂，阿肯色大学的陈静义（音译）在这个项目的一部分时间里是布鲁克海文大学的客座科学家，他开发了一种在金纳米粒子上共沉积铂和铱的合成方法。铂和铱在金纳米粒子表面形成"单原子岛"。陈指出，这种安排是催化剂出色性能的关键所在。

她说："金纳米粒子核在铂铱单原子岛上引起拉伸应变，这增加了这些元素分解碳-碳键的能力，然后剥去其氢原子。"

梁志秀，石溪大学的研究生，论文的第一作者，在实验室里进行了研究，以了解催化剂是如何达到创纪录的高能量转换效率的。他用"原位红外反射吸收光谱法"鉴定了反应中间体和产物，并将新催化剂与金芯/铂壳催化剂和铂铱合金催化剂的反应进行了比较。

梁说："通过测量反应中不同步骤吸收红外光时产生的光谱，这种方法可以让我们在每一步跟踪已经形成的物种以及每种产品的含量。"光谱显示，这种新型催化剂将乙醇导向12电子全氧化途径，释放出燃料的全部储能潜能。

下一步是设计包含新催化剂的装置。本研究所揭示的机制细节也有助于指导未来多组分催化剂在其他应用中的合理设计。

除了这里描述的细节之外，科学家们还使用了国家同步加速器光源II（NSLS-II）的内壳光谱（ISS）光束线——美国能源部科学用户设施办公室——来表征催化剂样品中每个元素的相对量。本论文的其他合著者是：布鲁克海文实验室化学部的梁松和拉多斯拉夫R.Adzic，实验室凝聚态物理与材料科学部的邓世清和朱一梅，以及NSLS-II的埃利·斯塔维斯基。

这项工作是由美国能源部科学办公室和国家科学基金会资助的。