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新型乙醇燃料電池芯殼催化劑又有新進(jìn)展?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1216次  |  2019年06月11日  

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)的紐約科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種高效的催化劑,可以從乙醇中提取電能,乙醇是一種易于儲(chǔ)存的液體燃料,可以從可再生資源中產(chǎn)生。

布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)成員開發(fā)并表征了一種新型的用于乙醇完全電氧化的核殼催化劑:Radoslav

《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上描述了這種催化劑,它將乙醇的電氧化作用引導(dǎo)到一個(gè)理想的化學(xué)途徑上,釋放出液體燃料的全部?jī)?chǔ)存能量。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家賈旺(音譯)說:"這種催化劑改變了游戲規(guī)則,使乙醇燃料電池成為一種有前途的高能量密度的'離網(wǎng)'電源。"一個(gè)特別有前途的應(yīng)用:液體燃料電池驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)。

"與電池相比,乙醇燃料電池更輕。他們將為使用液體燃料的無人機(jī)提供足夠的動(dòng)力,這種液體燃料即使在遙遠(yuǎn)的地方也很容易在航班之間補(bǔ)充燃料。

乙醇的大部分潛能都被鎖定在碳-碳鍵中,碳-碳鍵構(gòu)成了分子的骨架。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的催化劑顯示,在正確的時(shí)間打破這些鍵是釋放儲(chǔ)存能量的關(guān)鍵。

研究人員說:"乙醇的電氧化可以產(chǎn)生每個(gè)分子12個(gè)電子。""但這種反應(yīng)可以通過遵循許多不同的途徑來進(jìn)行。"

這些途徑中的大多數(shù)導(dǎo)致不完全氧化:催化劑保持碳-碳鍵完整,釋放更少的電子。他們還在這個(gè)過程的早期剝離氫原子,使碳原子暴露在一氧化碳的形成中,一氧化碳會(huì)"毒害"催化劑隨著時(shí)間的推移發(fā)揮作用的能力。

乙醇的12電子全氧化需要在過程開始時(shí)破壞碳-碳鍵,而氫原子仍然附著,因?yàn)闅浔Wo(hù)碳,防止一氧化碳的形成。然后,需要多個(gè)步驟的脫氫和氧化來完成這一過程。

這種新型催化劑將活性元素以獨(dú)特的核殼結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起,布魯克黑文的科學(xué)家們一直在探索一系列催化反應(yīng),從而加速了所有這些步驟。

為了制造這種催化劑,阿肯色大學(xué)的陳靜義(音譯)在這個(gè)項(xiàng)目的一部分時(shí)間里是布魯克海文大學(xué)的客座科學(xué)家,他開發(fā)了一種在金納米粒子上共沉積鉑和銥的合成方法。鉑和銥在金納米粒子表面形成"單原子島"。陳指出,這種安排是催化劑出色性能的關(guān)鍵所在。

她說:"金納米粒子核在鉑銥單原子島上引起拉伸應(yīng)變,這增加了這些元素分解碳-碳鍵的能力,然后剝?nèi)テ錃湓印?quot;

梁志秀,石溪大學(xué)的研究生,論文的第一作者,在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了研究,以了解催化劑是如何達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的高能量轉(zhuǎn)換效率的。他用"原位紅外反射吸收光譜法"鑒定了反應(yīng)中間體和產(chǎn)物,并將新催化劑與金芯/鉑殼催化劑和鉑銥合金催化劑的反應(yīng)進(jìn)行了比較。

梁說:"通過測(cè)量反應(yīng)中不同步驟吸收紅外光時(shí)產(chǎn)生的光譜,這種方法可以讓我們?cè)诿恳徊礁櫼呀?jīng)形成的物種以及每種產(chǎn)品的含量。"光譜顯示,這種新型催化劑將乙醇導(dǎo)向12電子全氧化途徑,釋放出燃料的全部?jī)?chǔ)能潛能。

下一步是設(shè)計(jì)包含新催化劑的裝置。本研究所揭示的機(jī)制細(xì)節(jié)也有助于指導(dǎo)未來多組分催化劑在其他應(yīng)用中的合理設(shè)計(jì)。

除了這里描述的細(xì)節(jié)之外,科學(xué)家們還使用了國(guó)家同步加速器光源II(NSLS-II)的內(nèi)殼光譜(ISS)光束線——美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室——來表征催化劑樣品中每個(gè)元素的相對(duì)量。本論文的其他合著者是:布魯克海文實(shí)驗(yàn)室化學(xué)部的梁松和拉多斯拉夫R.Adzic,實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)部的鄧世清和朱一梅,以及NSLS-II的埃利·斯塔維斯基。

這項(xiàng)工作是由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的。

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