Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Арканзаса разработали высокоэффективный катализатор для извлечения электрической энергии из этанола, удобного в хранении жидкого топлива, которое можно получать из возобновляемых ресурсов. Катализатор, описанный в Журнале Американского химического общества , направляет электроокисление этанола по идеальному химическому пути, который высвобождает весь потенциал накопленной энергии жидкого топлива.

«Этот катализатор изменит правила игры, что позволит использовать этанольные топливные элементы в качестве многообещающего источника электроэнергии с высокой удельной энергией», — сказала Цзя Ван, химик из Брукхейвенской лаборатории, который руководил работой. Одно особенно перспективное применение: беспилотники на жидких топливных элементах.

«Этанольные топливные элементы имеют меньший вес по сравнению с батареями. Они обеспечивают достаточную мощность для работы беспилотных летательных аппаратов, использующих жидкое топливо, которое легко заправлять между полетами, даже в отдаленных местах», — отметил Ван.

Большая часть потенциальной мощности этанола заключена в углерод-углеродных связях, которые образуют основу молекулы. Катализатор, разработанный группой Вана, показывает, что разрыв этих связей в нужное время является ключом к разблокированию этой накопленной энергии.

«Электроокисление этанола может производить 12 электронов на молекулу», — сказал Ван. «Но реакция может прогрессировать, следуя многим различным путям».

Большинство из этих путей приводят к неполному окислению: катализаторы оставляют углерод-углеродные связи нетронутыми, высвобождая меньше электронов. Они также удаляют атомы водорода в начале процесса, подвергая атомы углерода образованию монооксида углерода, который «отравляет» способность катализаторов функционировать с течением времени.

«Полное окисление этанола с 12 электронами требует разрыва углерод-углеродной связи в начале процесса, в то время как атомы водорода все еще присоединены, потому что водород защищает углерод и предотвращает образование окиси углерода», — сказал Ван. Затем для завершения процесса необходимы многочисленные стадии дегидрирования и окисления.

Новый катализатор, который объединяет реактивные элементы в уникальную структуру ядро-оболочка, которую исследователи из Брукхейвена изучают для ряда каталитических реакций, ускоряет все эти этапы.

Чтобы сделать катализатор, Цзиньи Чен из Университета Арканзаса, который был приглашенным ученым в Брукхейвене в ходе этого проекта, разработал метод синтеза для совместного осаждения платины и иридия на наночастицах золота. Платина и иридий образуют «одноатомные островки» на поверхности наночастиц золота. Это расположение, отметил Чен, является ключом, который объясняет выдающуюся производительность катализатора.

«Ядра наночастиц золота вызывают деформацию растяжения в одноатомных островках платина-иридий, что увеличивает способность этих элементов расщеплять углерод-углеродные связи, а затем снимать их атомы водорода », — сказала она.

Zhixiu Liang, аспирант университета Stony Brook и первый автор статьи, провел исследования в лаборатории Вана, чтобы понять, как катализатор достигает своей рекордно высокой эффективности преобразования энергии. Он использовал «инфракрасную спектроскопию отражения-поглощения in situ», чтобы идентифицировать промежуточные продукты и продукты реакции, сравнивая продукты, полученные с помощью нового катализатора, с реакциями, использующими катализатор с золотым ядром / платиновой оболочкой, а также катализатор из платино-иридиевого сплава.

«Измеряя спектры, возникающие при поглощении инфракрасного света на разных этапах реакции, этот метод позволяет на каждом этапе отслеживать, какие виды образовались и сколько из каждого продукта», — сказал Лян. «Спектры показали, что новый катализатор направляет этанол к 12-электронному пути полного окисления, высвобождая полный потенциал накопленной энергии топлива».

Следующим шагом, отметил Ван, является разработка устройств, которые включают новый катализатор .

Механистические детали, выявленные в этом исследовании, могут также помочь направить рациональное проектирование будущих многокомпонентных катализаторов для других применений.