用于乙醇燃料电池的新型核壳催化剂

美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室和阿肯色大学的科学家已开发出一种高效催化剂，用于从乙醇中提取电能，乙醇是一种易于储存的液体燃料，可由可再生资源产生。“ 美国化学学会杂志”中描述的这种催化剂将乙醇的电氧化控制在理想的化学途径中，从而释放液体燃料的储存能量的全部潜力。

“这种催化剂可以改变游戏规则，使乙醇燃料电池成为一种有前途的高能量密度”离网“电源，”负责这项工作的布鲁克海文实验室化学家贾望说。一个特别有前景的应用：液体燃料电池驱动的无人机。

“与电池相比，乙醇燃料电池重量轻。它们可以为使用液体燃料操作无人机提供足够的动力，即使在偏远地区也能轻松补充液体燃料，”Wang指出。

大部分乙醇的潜在能量被锁定在形成分子骨架的碳 - 碳键中。王氏集团开发的催化剂表明，在正确的时间打破这些债券是解锁储存能源的关键。

“乙醇的电氧化每分子可产生12个电子，”王说。“但是，通过遵循许多不同的途径，反应可以取得进展。”

大多数这些途径导致不完全氧化：催化剂使碳 - 碳键保持完整，释放出更少的电子。它们还在该过程的早期剥离氢原子，使碳原子暴露于一氧化碳的形成，这会使催化剂随时间推移起作用的能力“中毒”。

研究团队的Brookhaven Lab成员开发并表征了一种新的核 - 壳催化剂，用于乙醇(l至r)的完全电氧化：Radoslav Adzic，Zhixiu Liang，Jia Wang，Eli Stavitski和Liang Song。图片来源：布鲁克海文国家实验室

“乙醇的12电子全氧化需要在过程开始时断开碳 - 碳键，而氢原子仍然附着，因为氢保护碳并防止形成一氧化碳，”王说。然后，需要多个脱氢和氧化步骤来完成该过程。

这种新型催化剂结合了布鲁克海文科学家一直在探索一系列催化反应的独特核壳结构中的活性元素，加速了所有这些步骤。

为了制造催化剂，阿肯色大学的Jingyi Chen在该项目的一部分期间担任布鲁克海文的访问科学家，开发了一种合成方法，将铂和铱共沉积在金纳米粒子上。铂和铱在金纳米颗粒的表面上形成“单原子岛”。陈指出，这种安排是催化剂卓越性能的关键因素。

“黄金纳米粒子核心在铂 - 铱单原子岛中引起拉伸应变，这增加了这些元素切割碳 - 碳键的能力，然后剥离了它的氢原子，”她说。

石溪大学研究生和该论文的第一作者Zhixiu Liang在Wang的实验室进行了研究，以了解催化剂如何实现其创纪录的高能量转换效率。他使用“原位红外反射 - 吸收光谱”来鉴定反应中间体和产物，将新催化剂产生的那些与使用金 - 核/铂 - 壳催化剂和铂 - 铱合金催化剂的反应进行比较。

示意图显示了金纳米颗粒表面(黄色)上的铂(绿色)和铱(蓝色)的“单原子岛”如何能够在没有一氧化碳中毒的情况下实现乙醇的完全12电子氧化。该图表示新催化剂(Au @ PtIr)与其他三种催化剂相比产生的峰值电流显着更高：金核/铱壳(Au @ Ir); 铱/铂合金(IrPt); 和金芯/铂壳(Au @ Pt)。图片来源：布鲁克海文国家实验室

“通过测量红外光在反应的不同步骤被吸收时产生的光谱，这种方法使我们能够在每一步跟踪形成的物种和每种产品的含量，”梁说。“光谱显示新催化剂将乙醇引向12-电子全氧化途径，释放出燃料储存能量的全部潜力。”

Wang指出，下一步是设计采用新催化剂的设备。

本研究揭示的机械细节也可能有助于指导未来多组分催化剂在其他应用中的合理设计。

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