Ny kerne-skal katalysator til ethanol brændselsceller

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og University of Arkansas har udviklet en højeffektiv katalysator til at udvinde elektrisk energi fra ethanol, et flydende brændstof, der er let at opbevare, og som kan genereres fra vedvarende ressourcer. Katalysatoren, beskrevet i Journal of the American Chemical Society , styrer elektrooxidationen af ​​ethanol ned ad en ideel kemisk vej, der frigiver det flydende brændstofs fulde potentiale af lagret energi.

"Denne katalysator er en game changer, der vil muliggøre brugen af ​​ethanolbrændselsceller som en lovende kilde med høj energitæthed til "off-the-grid" elektrisk strøm, " sagde Jia Wang, Brookhaven Lab-kemikeren, der ledede arbejdet. En særlig lovende anvendelse:flydende brændselscelledrevne droner.

"Ethanolbrændselsceller er lette i forhold til batterier. De ville give tilstrækkelig strøm til at betjene droner ved hjælp af et flydende brændstof, der er let at genopfylde mellem flyvninger - selv på fjerntliggende steder, " bemærkede Wang.

Meget af ethanols potentielle kraft er låst inde i de kulstof-kulstofbindinger, der danner rygraden i molekylet. Katalysatoren udviklet af Wangs gruppe afslører, at det at bryde disse bånd på det rigtige tidspunkt er nøglen til at låse op for den lagrede energi.

"Elektrooxidation af ethanol kan producere 12 elektroner pr. molekyle, " sagde Wang. "Men reaktionen kan udvikle sig ved at følge mange forskellige veje."

De fleste af disse veje resulterer i ufuldstændig oxidation:Katalysatorerne efterlader kulstof-kulstof-bindinger intakte, frigiver færre elektroner. De fjerner også brintatomer tidligt i processen, at udsætte kulstofatomer for dannelsen af ​​kulilte, som "forgifter" katalysatorernes evne til at fungere over tid.

"Den 12-elektroners fulde oxidation af ethanol kræver at carbon-carbon-bindingen brydes i begyndelsen af ​​processen, mens hydrogenatomer stadig er knyttet, fordi brinten beskytter kulstoffet og forhindrer dannelsen af ​​kulilte, " sagde Wang. Så flere trin af dehydrogenering og oxidation er nødvendige for at fuldføre processen.

Den nye katalysator - som kombinerer reaktive elementer i en unik kerne-skal-struktur, som Brookhaven-forskere har udforsket for en række katalytiske reaktioner - fremskynder alle disse trin.

For at lave katalysatoren, Jingyi Chen fra University of Arkansas, som var gæsteforsker ved Brookhaven under en del af dette projekt, udviklet en syntesemetode til at co-deponere platin og iridium på guld nanopartikler. Platin og iridium danner "monoatomiske øer" på tværs af overfladen af ​​guldnanopartiklerne. Den ordning, Chen bemærkede, er nøglen, der tegner sig for katalysatorens enestående ydeevne.

"Guldnanopartikelkernerne inducerer trækspænding i platin-iridium monoatomiske øer, hvilket øger disse elementers evne til at spalte carbon-carbon-bindingerne, og fjern derefter dets brintatomer, " hun sagde.

Zhixiu Liang, en kandidatstuderende fra Stony Brook University og avisens første forfatter, udført undersøgelser i Wangs laboratorium for at forstå, hvordan katalysatoren opnår sin rekordhøje energikonverteringseffektivitet. Han brugte "in situ infrarød refleksion-absorptionsspektroskopi" til at identificere reaktionsmellemprodukter og produkter, sammenligne dem, der produceres af den nye katalysator med reaktioner, der anvender en guld-kerne/platin-skal katalysator og også en platin-iridium legering katalysator.

"Ved at måle de spektre, der produceres, når det infrarøde lys absorberes ved forskellige trin i reaktionen, denne metode giver os mulighed for at spore, ved hvert trin, hvilke arter er blevet dannet og hvor meget af hvert produkt, " sagde Liang. "Spektraet afslørede, at den nye katalysator styrer ethanol mod den 12-elektroners fulde oxidationsvej, frigivelse af brændstoffets fulde potentiale af lagret energi."

Det næste skridt, Wang bemærkede, er at konstruere enheder, der inkorporerer den nye katalysator.

De mekanistiske detaljer afsløret af denne undersøgelse kan også hjælpe med at guide det rationelle design af fremtidige multikomponent-katalysatorer til andre applikationer.