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研究人員認為小型技術可以朝著更好的燃料電

隨著風能和太陽能等可再生能源迅速改變能源格局,科學家們正在尋找在需要時更好地儲存能源的方法。將化學能轉化為電能的燃料電池是長期儲能的一種可能解決方案,并且有朝一日可用于為卡車和汽車提供燃料而不燃燒燃料。但在燃料電池可以廣泛使用之前,化學家和工程師需要找到使這種技術更具成本效益和穩定性的方法。

由Penn整合知識實驗室的一項新研究由研究生Jennifer Lee領導的Christopher Murray教授展示了如何使用定制設計的納米材料來應對這些挑戰。在ACS應用材料與接口公司,研究人員展示了如何使用原子級設計從更便宜,更廣泛使用的金屬構建燃料電池,同時使材料具有長期穩定性。前博士后Davit Jishkariani和前學生趙英瑞和Stan Najmr,現任學生Daniel Rosen,以及教授James Kikkawa和Eric Stach也為這項工作做出了貢獻。

為燃料電池供電的化學反應依賴于兩個電極,負電極和正電極,由電解質隔開,電解質是允許離子移動的物質。當燃料進入陽極時,催化劑將分子分離成質子和電子,后者向陰極行進并產生電流。

催化劑通常由貴金屬如鉑制成,但由于化學反應僅發生在材料表面上,因此材料表面上不存在的任何原子都被浪費掉了。由于燃料電池很難更換,因此催化劑穩定數月和數年也很重要。

化學家可以通過設計在表面具有鉑的定制納米材料同時在體積中使用更常見的金屬(例如鈷)來提供穩定性來解決這兩個問題。Murray集團擅長制造控制良好的納米材料,稱為納米晶體,可以控制任何復合納米材料的尺寸,形狀和成分。

在這項研究中,Lee專注于稱為質子交換膜燃料電池的特定類型燃料電池陰極中的催化劑。“陰極更是一個問題,因為這些材料要么是鉑金,要么是鉑金,價格昂貴且反應速度較慢,”她說。“設計陰極催化劑是設計良好燃料電池的主要焦點。”

Jishkariani解釋說,挑戰在于創造一種陰極,其中鉑和鈷原子將形成穩定的結構。“我們知道鈷和鉑混合良好;但是,如果你制造這兩種合金,你就會以隨機順序添加鉑和鈷原子,”他說。以隨機順序添加更多的鈷會使其浸出到電極中,這意味著燃料電池只能在短時間內發揮作用。

為了解決這個問題,研究人員設計了一種由分層鉑和鈷制成的催化劑,稱為金屬間相。通過精確控制每個原子在催化劑中的位置并將結構鎖定在適當位置,陰極催化劑能夠比原子隨機排列時更長時間地工作。作為一個額外的意外發現,研究人員發現,向系統中添加更多的鈷可以提高效率,鉑與鈷的比例為1比1,優于許多其他具有多種鉑鈷比的結構。

下一步將是測試和評估燃料電池組件中的金屬間材料,以便與市售系統進行直接比較。Murray集團還將研究在沒有高溫的情況下創建金屬間結構的新方法,并觀察添加額外的原子是否可以提高催化劑的性能。

這項工作需要高分辨率的顯微成像,這是李先前在布魯克海文國家實驗室所做的工作,但由于最近的收購,現在可以在賓夕法尼亞州辛格納米技術中心完成。穆雷說:“我們不得不前往全國各地,有時在世界各地進行的許多高端實驗,我們現在可以更接近家鄉了。” “我們為電子顯微鏡和X射線散射帶來的進步對于從事能量轉換和催化研究的人來說是一個很好的補充。”

Lee還親身體驗了化學研究如何直接與現實世界的挑戰聯系起來。她最近在國際貴金屬研究所會議上介紹了這項工作,并表示貴金屬界的會員們很有啟發性。“有些公司正在研究燃料電池技術,并談論燃料電池汽車的最新設計,”她說。“你可以從不同角度與想到你的項目的人進行互動。”

默里認為這項基礎研究是商業實施和現實世界應用的起點,強調未來的進展依賴于現在正在進行的前瞻性研究。“考慮到我們已經取代了許多傳統化石燃料輸入的世界,如果我們能夠找出這種電能和化學能的相互轉換,那將同時解決幾個非常重要的問題。”

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