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新型核殼催化劑誕生用于乙醇燃料電池

來源:鉅大LARGE    2019-06-10    點擊量:67

用于乙醇燃料電池的新型核殼催化劑,美國能源部布魯克海文國家實驗室和阿肯色大學的科學家們開發了一種高效催化劑,可以從乙醇中提取電能。乙醇是一種易于儲存的液體燃料,可以從可再生資源中產生。發表在《美國化學學會》(JournalofTheAmericanChemicalSociety)上的研究描述了這種催化劑,它將乙醇的電氧化引向一個理想的化學途徑,釋放液體燃料儲存能量的全部潛能。

領導這項研究的布魯克黑文實驗室化學家王佳(音譯)說:這種催化劑是一種改變游戲規則的東西,它將使乙醇燃料電池成為一種有希望的高能量密度‘非電網’電力來源。一個特別有前景的應用是:液體燃料電池驅動的無人機。與電池相比,乙醇燃料電池很輕,它們將為使用液體燃料的無人機提供足夠動力,這種燃料在兩次飛行之間很容易補充——即使在偏遠地區也是如此。乙醇的大部分潛在能量被鎖定在碳-碳鍵上,而碳-碳鍵構成了分子的骨架。

研究團隊開發的催化劑揭示了在正確的時間打破這些鍵是打開儲存能量的鑰匙。乙醇的電氧化每個分子可以產生12個電子,但反應可以通過許多不同的途徑進行。這些途徑大多導致不完全氧化:催化劑保持碳碳鍵的完整,釋放更少的電子,還在這個過程的早期剝離了氫原子,將碳原子暴露在一氧化碳的形成中,一氧化碳會“毒害”催化劑的功能。乙醇的12電子完全氧化需要在過程開始時打破碳碳鍵,而氫原子還在附著,因為氫保護碳,阻止一氧化碳的形成。

然后,需要多個步驟的脫氫和氧化來完成這個過程,布魯克海文實驗室的科學家們一直在探索一系列催化反應的獨特核殼結構,這種新型催化劑將反應元素結合在一起,加快了所有這些步驟。為了制造這種催化劑,阿肯色大學(UniversityofArkansas)陳靜一(JingyiChen)開發了一種合成方法,可以在金納米顆粒上同時沉積鉑和銥。鉑和銥在金納米顆粒表面形成“單原子島”,這種安排是催化劑性能優異的關鍵。

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(博科園-圖示)鉑/銥(綠色/藍色)外殼覆蓋在金納米顆粒核心(黃色)上的特寫,展示了這種催化劑如何在乙醇中裂解碳-碳(灰色)鍵,同時最初留下氫原子。在反應的早期階段,氫保護碳,防止催化中毒的一氧化碳形成,一氧化碳能夠完全氧化并釋放12個電子。圖片:BrookhavenNationalLaboratory

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金納米顆粒核心在鉑銥單原子島中產生張力,這增加了這些元素分裂碳碳鍵,然后剝離氫原子的能力。石溪大學研究生梁志秀(音譯)是這篇論文的第一作者,他在王的實驗室里進行了研究,以了解這種催化劑是如何達到創紀錄的高能量轉換效率。用“原位紅外反射-吸收光譜法”鑒定了反應中間體和產物,并將新催化劑產生的中間體和產物與使用金芯/鉑殼催化劑以及鉑銥合金催化劑的反應進行了比較。

(博科園-圖示)顯示了由鉑(綠色)和銥(藍色)組成的“單原子島”在金納米顆粒表面(黃色)如何使乙醇在沒有一氧化碳中毒的情況下進行完整的12電子氧化。圖片:BrookhavenNationalLaboratory

通過測量紅外光在反應不同階段被吸收時產生的光譜,這種方法能夠在每個階段追蹤已經形成物種以及每種產物的數量。光譜顯示,這種新型催化劑將乙醇導向12電子的全氧化途徑,釋放燃料儲存能量的全部潛能,下一步是設計包含新催化劑的設備。本研究揭示的機理細節,也有助于指導未來多組分催化劑的合理設計。

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