纳米催化剂耐受燃料电池中的一氧化碳，将纯度氢转化为电力

用密度函数理论优化的计算模型叠加在高分辨率扫描透射电子显微镜（茎）图像（白点）上叠加。钌在芯中用ABAB堆叠序列（蓝色点）保持其结构，并且铂壳切换到不同的ABCABC堆叠序列。

Brookhaven国家实验室的研究人员已经开发出一种高性能的纳米催化剂，可容忍燃料电池中的一氧化碳，为零排放车辆开放新的廉价途径。

UPTON，纽约 - 寻求氢气作为未来清洁燃料的燃烧要求，需要增强化学反应的完美催化剂 - 纳米机。科学家必须调整原子结构，以实现反应性，耐用性和工业规模合成的最佳平衡。在新出现的催化前沿，科学家还寻求纳米颗粒耐受一氧化碳，氢气中的中毒杂质来自天然气。这种纯净燃料-40％比水 - 仍未开发的纯氢气厚度较低。

现在，美国能源部的科学家（Doe）Brookhaven国家实验室 - 2013年9月18日在线上发布的研究自然通信 - 创造了一项高性能的纳米催化剂，符合所有这些需求。新型核 - 壳结构 - 钌涂有铂抗蚀剂损坏的一氧化碳损坏，因为它驱动了电动汽车燃料电池和类似技术的能量反应。

“这些纳米颗粒在钌和铂中表现出完美的原子序，克服了先前残废了一氧化碳耐受催化剂的结构缺陷，”研究共同奉献和布鲁克霍夫效果化学家贾王表示。“我们高度可扩展的”绿色“综合方法，如原子级成像技术所揭示，开启了催化和可持续性的新的和激动人心的可能性。”

用原子完美制造晶体

燃料电池内的催化剂撬开氢分子的内在能量并将其转化为电力。铂金与纯氢燃料相比，但金属的高成本和稀有性阻碍了其广泛的部署。然而，通过涂覆较少的铂原子层的昂贵金属，因此科学家可以在降低成本并创建具有优异性能参数的成本并创建核心壳结构的同时保持反应性。

由天然气形成的氢气中的一氧化碳杂质对科学家们提出了另一个挑战，因为它们使最多的铂催化剂失活。钌uplinum-upound-促进一氧化碳耐受性，但在燃料电池的启动/关闭期间更容易溶解，导致逐渐性衰减。

王说：“我们开始保护钌芯免受完全铂壳的溶解，”王说。“以前的表面科学研究揭示了这种核心壳配置中表面特性的显着变化，表明需要和机会，以精确控制完善配方。”

关于是否可以用铂壳 - 先前合成的纳米颗粒甚至可能甚至可能在钌中表现出弱化的晶体结构，则存在疑问。

“幸运的是，我们发现钌结构的丧失是由于缺陷介导的层间扩散，即可避免的，”王说。“通过在添加铂之前消除钌纳米颗粒中的任何晶格缺陷，我们保留了每个元素的至关重要的离散原子结构。”

可扩展且廉价的合成方法使用乙醇 - 一种常见且廉价的溶剂 - 作为制造纳米颗粒核和壳的还原剂。复杂的过程不需要其他有机剂或金属模板。

“溶液的简单调节温度，水和酸度使我们完全对该方法进行了控制，并产生了显着一致的钌纳米粒子尺寸和均匀的铂涂层，”Brookhaven Lab Chemist radoslav and The Shore上的Saauthor表示。“这种简单性提供高再现性和可扩展性，并展示了我们方法的明确商业潜力。”

核心壳表征

王说，“我们将已完成的催化剂拿到这里的其他设施，以揭示原子结构的确切细节。”“只有当您对世界级专家和仪器的工作旁边工作时，才有这种快速合作。”

Brookhaven Lab的国家同步光源（NSLS）的科学家使用称为X射线衍射的技术揭示了纳米催化剂中金属的原子密度，分布和均匀性，其中高频光散射和弯曲在与扫入原子相互作用后。该协作还在Brookhaven的中心扫描透射电子显微镜（Stew）用于功能纳米材料（CFN），以确定不同的子纳米原子图案。利用该仪器，聚焦的电子光束轰击粒子，从而产生芯和壳结构的地图。

“我们发现元素没有在核心壳边界混合，这是一个关键的步伐，”CFN物理学家董苏说，董苏，同志和词干专家说。“每个元素中的原子序有序，加上正确的理论模型，告诉我们新纳米催化剂如何以及为何作品的魔法。”

确定核心和壳牌的理想功能配置还需要使用CFN在计算科学中的专业知识。利用密度泛函理论（DFT）计算，计算机有助于识别最能稳定的铂钌结构。

“DFT分析连接了性能和配置之间的点，并且可以从X射线衍射和电子显微镜中证实我们的直接观察，”Adzic表示。

发现部署

巴拉德动力系统，一家致力于燃料电池生产，独立评估新的核心壳纳米催化剂的性能。除了在纯氢气中测试低铂催化剂的高活性，珠柱在纯氢气中特别地看着耐氢气的耐药和溶解阻力在启动/关闭循环期间。双层纳米催化剂表现出高耐久性和增强的一氧化碳耐受性 - 组合能够使用纯度效率而不是效率损失或催化剂成本的增加。

纳米催化剂在生产氢气通过氢气进化反应中也表现良好，导致另一个工业伙伴关系。Proton现场，一家专门从水和其他类似过程分裂氢的公司，已经完成了用于部署技术的水电解电机的可行性测试，现在需要约98％的铂。

“水电解槽已经在市场上，因此这种纳米催化剂可以快速部署，”王说。“当氢燃料电池车在未来几年推出时，这种新结构可以通过降低金属催化剂和燃料的成本来加速开发。”

Brookhaven国家实验室的功能纳米材料中心是五个Doe纳米级科学研究中心（NSRCS）之一，首屈一指的国家用户设施，用于纳米级互级研究。NSRC共同构成了一套补充设施，为研究人员提供了制造，加工，表征和建模纳米级材料的最新能力，并构成了国家纳米技术计划的最大基础设施投资。NSRC位于Doe's Argonne，Brookhaven，Lawrence Berkeley，Oak Ridge和Sandia和Los Alamos National Laboratories。

国家同步光源（NSL）为基础和应用研究的物理，化学，医学，地球物理学和环境和材料科学提供了强烈的红外线，紫外线和X射线光束。NSLS在美国能源部基本能源科学办公室提供支持，是世界上使用最广泛的科学设施之一。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并且致力于解决当今时代最紧迫的挑战。

出版物：Yu-Chi Hsieh等，“订购双层钌 - 铂核 - 壳纳米粒子作为一氧化碳耐燃料电池催化剂，”自然通信4，物品编号：2466; DOI：10.1038 / ncomms3466

图像：布鲁克黑文国家实验室