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新型乙醇燃料電池芯殼催化劑又有新進展?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年06月11日  

美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室和阿肯色大學的紐約科學家已經開發出一種高效的催化劑,可以從乙醇中提取電能,乙醇是一種易于儲存的液體燃料,可以從可再生資源中產生。

布魯克海文實驗室的研究團隊成員開發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

《美國化學學會雜志》上描述了這種催化劑,它將乙醇的電氧化作用引導到一個理想的化學途徑上,釋放出液體燃料的全部儲存能量。

領導這項工作的布魯克海文實驗室化學家賈旺(音譯)說:"這種催化劑改變了游戲規則,使乙醇燃料電池成為一種有前途的高能量密度的'離網'電源。"一個特別有前途的應用:液體燃料電池驅動的無人機。

"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提供足夠的動力,這種液體燃料即使在遙遠的地方也很容易在航班之間補充燃料。

乙醇的大部分潛能都被鎖定在碳-碳鍵中,碳-碳鍵構成了分子的骨架。研究團隊開發的催化劑顯示,在正確的時間打破這些鍵是釋放儲存能量的關鍵。

研究人員說:"乙醇的電氧化可以產生每個分子12個電子。""但這種反應可以通過遵循許多不同的途徑來進行。"

這些途徑中的大多數導致不完全氧化: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"毒害"催化劑隨著時間的推移發揮作用的能力。

乙醇的12電子全氧化需要在過程開始時破壞碳-碳鍵,而氫原子仍然附著,因為氫保護碳,防止一氧化碳的形成。然后,需要多個步驟的脫氫和氧化來完成這一過程。

這種新型催化劑將活性元素以獨特的核殼結構結合在一起,布魯克黑文的科學家們一直在探索一系列催化反應,從而加速了所有這些步驟。

為了制造這種催化劑,阿肯色大學的陳靜義(音譯)在這個項目的一部分時間里是布魯克海文大學的客座科學家,他開發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鍵所在。

她說:"金納米粒子核在鉑銥單原子島上引起拉伸應變,這增加了這些元素分解碳-碳鍵的能力,然后剝去其氫原子。"

梁志秀,石溪大學的研究生,論文的第一作者,在實驗室里進行了研究,以了解催化劑是如何達到創紀錄的高能量轉換效率的。他用"原位紅外反射吸收光譜法"鑒定了反應中間體和產物,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進行了比較。

梁說:"通過測量反應中不同步驟吸收紅外光時產生的光譜,這種方法可以讓我們在每一步跟蹤已經形成的物種以及每種產品的含量。"光譜顯示,這種新型催化劑將乙醇導向12電子全氧化途徑,釋放出燃料的全部儲能潛能。

下一步是設計包含新催化劑的裝置。本研究所揭示的機制細節也有助于指導未來多組分催化劑在其他應用中的合理設計。

除了這里描述的細節之外,科學家們還使用了國家同步加速器光源II(NSLS-II)的內殼光譜(ISS)光束線——美國能源部科學用戶設施辦公室——來表征催化劑樣品中每個元素的相對量。本論文的其他合著者是:布魯克海文實驗室化學部的梁松和拉多斯拉夫R.Adzic,實驗室凝聚態物理與材料科學部的鄧世清和朱一梅,以及NSLS-II的埃利·斯塔維斯基。

這項工作是由美國能源部科學辦公室和國家科學基金會資助的。

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