美國能源部（DOE）布魯克海文國家實(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儲(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?

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在每一步跟蹤已經(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，釋放出燃料的全部儲(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)家們還使用了國家同步加速器光源II（NSLS-II）的內(nèi)殼光譜（ISS）光束線——美國能源部科學(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)工作是由美國能源部科學(xué)辦公室和國家科學(xué)基金會(huì)資助的。