電化學能源系統——將電能轉化為化學能的過程——是建立更高效的燃料電池和電池中可再生能源間歇發電和儲存的核心。

而系統中有一種物質被稱為催化劑的主要物質，這種物質是用于加速化學反應，是這些電化學能源系統的關鍵參與者。例如，燃料電池的尺寸和效率，可以通過使用更高性能的催化劑來得到提升與改善。

然而，現實中生產更好的催化劑說起來容易做起來難。催化劑的有效性部分取決于其活性部位的數量和質量，這是由于該部位的特定幾何結構和電子性質。對這些場地進行工程設計可能是一個艱巨而低效的過程。

現在，特拉華大學的研究人員已經徹底改變了科學家設計催化劑結構的方法。他們的工作，以最新一期的領先科學雜志《自然化學》為特色，建立了一種管理高度結構敏感的化學物質的新方法，以在考慮催化劑穩定性的同時，實現最高可能的活性。

迪翁·弗拉喬斯，UD化學工程的主席，也是論文的合著者說"在原子水平上優化催化劑一直是一個長期存在的難題，因為活性中心通常是未知的，如何最好地將它們組合在一起以進行化學反應仍然是個謎，"，"當我們設計材料以提高性能時，材料的穩定性至關重要。我們的方法是第一個同時解決原子精度和材料穩定性的晶體工程問題。"

根據研究人員的說法，使他們的方法與眾不同的是簡化材料合成，使用計算機在催化劑表面制造微觀變化或納米缺陷。"過去，研究人員一次一個地模擬不同的活性位點，這非常耗時，"合著者MarcelNunez說，他在UD獲得化學和生物分子工程博士學位，現在在英特爾擔任設計工程師。"我們的方法是自動化。它確實是同類產品中的第一款，有助于使催化劑更容易合成，在化學反應中更穩定。"

JoshLansford是Vlachos實驗室的博士生，也是論文的合著者，他強調說，雖然計算是從一個小尺度開始的——在這個例子中，是量子的——但結果卻完全不同。

他說："這一切都是為了調整催化劑的表面結構，以減少反應進行所需的能量。""站點越活躍，電流就越高，這會制造出更快的反應和更強大的燃料電池。"

研究人員利用一種稱為氧還原反應（ORR）的過程證明了他們的新方法的有效性，該過程通常被用來在燃料電池中為運輸提供動力。由于地球大氣中氧氣豐富，ORR是生產不排放二氧化碳（CO2）的便攜式電源的理想方法。

雖然燃料電池還沒有大規模實現經濟可行性，可研人員希望他們的研究突破將有助于改變這一狀況，為更清潔和更經濟的能源生產開辟新的途徑。

研究人員介紹說："我們的方法學的長期遠景是，它將被用來設計計算機上所需的催化劑結構。""然后將在實驗室合成和表征催化劑，并將其用于燃料電池，其性能高于當前的工業標準。我們的方法使我們更傾向于清潔燃料電池汽車的經濟可行性。"

這項研究得到了美國能源部科學辦公室、高級科學計算研究辦公室和美國特種部高級研究項目局（DARPA）的支持。