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新型核壳催化剂诞生用于乙醇燃料电池

来源:钜大LARGE    2019-06-10    点击量:57

用于乙醇燃料电池的新型核壳催化剂,美国能源部布鲁克海文国家实验室和阿肯色大学的科学家们开发了一种高效催化剂,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。发表在《美国化学学会》(JournalofTheAmericanChemicalSociety)上的研究描述了这种催化剂,它将乙醇的电氧化引向一个理想的化学途径,释放液体燃料储存能量的全部潜能。

领导这项研究的布鲁克黑文实验室化学家王佳(音译)说:这种催化剂是一种改变游戏规则的东西,它将使乙醇燃料电池成为一种有希望的高能量密度‘非电网’电力来源。一个特别有前景的应用是:液体燃料电池驱动的无人机。与电池相比,乙醇燃料电池很轻,它们将为使用液体燃料的无人机提供足够动力,这种燃料在两次飞行之间很容易补充——即使在偏远地区也是如此。乙醇的大部分潜在能量被锁定在碳-碳键上,而碳-碳键构成了分子的骨架。

研究团队开发的催化剂揭示了在正确的时间打破这些键是打开储存能量的钥匙。乙醇的电氧化每个分子可以产生12个电子,但反应可以通过许多不同的途径进行。这些途径大多导致不完全氧化:催化剂保持碳碳键的完整,释放更少的电子,还在这个过程的早期剥离了氢原子,将碳原子暴露在一氧化碳的形成中,一氧化碳会“毒害”催化剂的功能。乙醇的12电子完全氧化需要在过程开始时打破碳碳键,而氢原子还在附着,因为氢保护碳,阻止一氧化碳的形成。

然后,需要多个步骤的脱氢和氧化来完成这个过程,布鲁克海文实验室的科学家们一直在探索一系列催化反应的独特核壳结构,这种新型催化剂将反应元素结合在一起,加快了所有这些步骤。为了制造这种催化剂,阿肯色大学(UniversityofArkansas)陈静一(JingyiChen)开发了一种合成方法,可以在金纳米颗粒上同时沉积铂和铱。铂和铱在金纳米颗粒表面形成“单原子岛”,这种安排是催化剂性能优异的关键。

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(博科园-图示)铂/铱(绿色/蓝色)外壳覆盖在金纳米颗粒核心(黄色)上的特写,展示了这种催化剂如何在乙醇中裂解碳-碳(灰色)键,同时最初留下氢原子。在反应的早期阶段,氢保护碳,防止催化中毒的一氧化碳形成,一氧化碳能够完全氧化并释放12个电子。图片:BrookhavenNationalLaboratory

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金纳米颗粒核心在铂铱单原子岛中产生张力,这增加了这些元素分裂碳碳键,然后剥离氢原子的能力。石溪大学研究生梁志秀(音译)是这篇论文的第一作者,他在王的实验室里进行了研究,以了解这种催化剂是如何达到创纪录的高能量转换效率。用“原位红外反射-吸收光谱法”鉴定了反应中间体和产物,并将新催化剂产生的中间体和产物与使用金芯/铂壳催化剂以及铂铱合金催化剂的反应进行了比较。

(博科园-图示)显示了由铂(绿色)和铱(蓝色)组成的“单原子岛”在金纳米颗粒表面(黄色)如何使乙醇在没有一氧化碳中毒的情况下进行完整的12电子氧化。图片:BrookhavenNationalLaboratory

通过测量红外光在反应不同阶段被吸收时产生的光谱,这种方法能够在每个阶段追踪已经形成物种以及每种产物的数量。光谱显示,这种新型催化剂将乙醇导向12电子的全氧化途径,释放燃料储存能量的全部潜能,下一步是设计包含新催化剂的设备。本研究揭示的机理细节,也有助于指导未来多组分催化剂的合理设计。

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