隨著風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源迅速改變能源格局，科學(xué)家們正在尋找在需要時(shí)更好地儲(chǔ)存能源的方法。 將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池是長(zhǎng)期儲(chǔ)能的一種可能解決方案，并且正在為卡車和汽車提供燃料，嘗試替代傳統(tǒng)燃燒燃料。 但在燃料電池可以廣泛使用之前，化學(xué)家和工程師需要找到使這種技術(shù)更具成本效益和穩(wěn)定性的方法。
 

研究生Jennifer Lee使用位于*中心的大型透射電子顯微鏡，仔細(xì)研究實(shí)驗(yàn)室合成的納米材料和納米晶體。

由Penn整合知識(shí)實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)新研究由研究生Jennifer Lee領(lǐng)導(dǎo)的Christopher Murray教授展示了如何使用定制設(shè)計(jì)的納米材料來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。 在ACS應(yīng)用材料與接口公司，研究人員展示了如何使用原子級(jí)設(shè)計(jì)從更便宜，更廣泛使用的金屬構(gòu)建燃料電池，同時(shí)使材料具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，Davit Jishkariani，趙英瑞，Stan Najmr，，Daniel Rosen，以及教授James Kikkawa和Eric Stach也為這項(xiàng)工作做出了貢獻(xiàn)。

為燃料電池供電的化學(xué)反應(yīng)依賴于兩個(gè)電極，負(fù)電極和正電極，由電解質(zhì)隔開，電解質(zhì)是允許離子移動(dòng)的物質(zhì)。 當(dāng)燃料進(jìn)入陽(yáng)極時(shí)，催化劑將分子分離成質(zhì)子和電子，后者向陰極行進(jìn)并產(chǎn)生電流。

催化劑通常由貴金屬如鉑制成，但由于化學(xué)反應(yīng)僅發(fā)生在材料表面上，因此不在材料表面上的任何鉑都被浪費(fèi)掉了。 由于燃料電池結(jié)構(gòu)特殊，難以更換，因此長(zhǎng)期穩(wěn)定的催化劑就變得至關(guān)重要。
 

當(dāng)不忙于顯微鏡或分析數(shù)據(jù)時(shí)，Murray小組的研究人員致力于合成新的納米材料。

化學(xué)家可以通過(guò)設(shè)計(jì)在表面具有鉑的定制納米材料同時(shí)在體積中使用更常見的金屬（例如鈷），利用納米球，減少鉑用量，增加接觸表面，來(lái)解決接觸表面和穩(wěn)定性兩個(gè)問(wèn)題。 Murray集團(tuán)擅長(zhǎng)制造控制良好的納米材料，稱為納米晶體，可以控制任何復(fù)合納米材料的尺寸，形狀和成分。

在這項(xiàng)研究中，Lee專注于稱為質(zhì)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(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@些材料只有鉑金是穩(wěn)定和可靠的，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鉑的用量大，且反應(yīng)速度較慢，”她說(shuō)。 “設(shè)計(jì)陰極催化劑是設(shè)計(jì)良好燃料電池的關(guān)鍵所在。”

Jishkariani解釋說(shuō)，挑戰(zhàn)在于創(chuàng)造一種陰極，其中鉑和鈷原子形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 “我們知道鈷和鉑混合良好;但是，如果你制造這兩種材料的合金，你就會(huì)以隨機(jī)順序添加鉑和鈷原子，”他說(shuō)。 以隨機(jī)順序添加更多的鈷會(huì)使其浸出到電極中，這意味著燃料電池（催化劑）只能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)了一種由分層鉑和鈷制成的催化劑，稱為金屬間相。 通過(guò)控制每個(gè)原子在催化劑中的位置并將結(jié)構(gòu)鎖定在適當(dāng)位置，陰極催化劑能夠比原子隨機(jī)排列時(shí)更長(zhǎng)時(shí)間地工作。 作為一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，向系統(tǒng)中添加更多的鈷可以提率，鉑與鈷的比例為1比1，優(yōu)于許多其他具有多種鉑鈷比的結(jié)構(gòu) 。
 

Xeuss 2.0 X射線散射儀器于2018年進(jìn)入LRSM，幫助研究人員描述各種硬質(zhì)和軟質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)。

下一步將是測(cè)試和評(píng)估燃料電池組件中的金屬材料，以便與市售系統(tǒng)進(jìn)行直接比較。 Murray集團(tuán)還將研究在沒(méi)有高溫的情況下創(chuàng)建金屬間結(jié)構(gòu)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(xiàng)工作需要高分辨率的顯微成像，這是lee先前在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所做的工作，但由于近的收購(gòu)，現(xiàn)在可以在賓夕法尼亞州*納米技術(shù)中心完成。 穆雷說(shuō)：“我們不得不前往全國(guó)各地，有時(shí)在世界各地進(jìn)行的許多實(shí)驗(yàn)，我們現(xiàn)在可以更接近家鄉(xiāng)了。” “我們?yōu)殡娮语@微鏡和X射線散射帶來(lái)的進(jìn)步對(duì)于從事能量轉(zhuǎn)換和催化研究的人來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的補(bǔ)充。”

Lee還親身體驗(yàn)了化學(xué)研究如何直接與現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)聯(lián)系起來(lái)。 她近在貴金屬研究所會(huì)議上介紹了這項(xiàng)工作，并給了貴金屬界的會(huì)員們很大啟發(fā)。 “有些公司正在研究燃料電池技術(shù)，并談?wù)撊剂想姵仄嚨膞in設(shè)計(jì)，”她說(shuō)。 “你可以從不同角度與不同的人進(jìn)行互動(dòng)。”

默里認(rèn)為這項(xiàng)基礎(chǔ)研究是商業(yè)實(shí)施和現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用的起點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)未來(lái)的進(jìn)展依賴于現(xiàn)在正在進(jìn)行的前瞻性研究。 “考慮到我們正在取代許多傳統(tǒng)的化石燃料，如果我們能夠找出這種電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換，那將同時(shí)解決幾個(gè)非常重要的問(wèn)題。”