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(xué)的科學(xué)家們開發(fā)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(chǎn)生。發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)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(xué)途徑，釋放液體燃料儲存能量的全部潛能。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的布魯克黑文實驗室化學(xué)家王佳(音譯)說：這種催化劑是一種改變游戲規(guī)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(wǎng)’電力來源。一個特別有前景的應(yīng)用是：液體燃料電池驅(qū)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(qū)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(gòu)成了分子的骨架。

研究團隊開發(fā)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(chǎn)生12個電子，但反應(yīng)可以通過許多不同的途徑進行。這些途徑大多導(dǎo)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(xué)家們一直在探索一系列催化反應(yīng)的獨特核殼結(jié)構(gòu)，這種新型催化劑將反應(yīng)元素結(jié)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(xué)(UniversityofArkansas)陳靜一(JingyiChen)開發(fā)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(yōu)異的關(guān)鍵。

（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(yīng)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(chǎn)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(xué)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(chuàng)紀錄的高能量轉(zhuǎn)換效率。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，并將新催化劑產(chǎn)生的中間體和產(chǎn)物與使用金芯/鉑殼催化劑以及鉑銥合金催化劑的反應(yīng)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(yīng)不同階段被吸收時產(chǎn)生的光譜，這種方法能夠在每個階段追蹤已經(jīng)形成物種以及每種產(chǎn)物的數(shù)量。光譜顯示，這種新型催化劑將乙醇導(dǎo)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(shè)計包含新催化劑的設(shè)備。本研究揭示的機理細節(jié)，也有助于指導(dǎo)未來多組分催化劑的合理設(shè)計。