宾夕法尼亚大学 研究生珍妮弗·李使用位于辛格中心的大型透射电子显微镜，近距离观察实验室合成的纳米材料和纳米晶体
学分:宾夕法尼亚大学 随着风能和太阳能等可再生能源迅速改变能源格局，科学家们正在寻找更好地储存能源的方法，以备不时之需
燃料电池将化学能转化为电能，是一种长期储能的可能解决方案，有朝一日可以不用燃烧燃料就能为卡车和汽车提供动力
但是在燃料电池被广泛使用之前，化学家和工程师需要找到方法使这项技术更具成本效益和稳定性
宾夕法尼亚大学综合知识实验室的克里斯托弗·默里教授在研究生珍妮弗·李的带领下进行了一项新的研究，展示了定制设计的纳米材料如何用于应对这些挑战
在《美国化学学会应用材料与界面》中，研究人员展示了如何使用原子级设计，用更便宜、更广泛可用的金属制造燃料电池，这种设计也赋予了材料长期稳定性
前博士后大卫·季什卡利亚尼，前学生赵英瑞和斯坦·纳吉姆，现学生丹尼尔·罗森，教授詹姆斯·基卡瓦和埃里克·斯泰西也为这项工作做出了贡献
为燃料电池提供动力的化学反应依赖于两个电极，一个负极和一个正极，它们被电解质隔开，电解质是一种允许离子移动的物质
当燃料进入阳极时，催化剂将分子分离成质子和电子，后者向阴极移动并产生电流
催化剂通常由贵金属制成，如铂，但是因为化学反应只发生在材料的表面，任何没有出现在材料表面的原子都被浪费了
催化剂稳定数月或数年也很重要，因为燃料电池很难更换
当不忙于显微镜或分析数据时，默里小组的研究人员致力于合成新的纳米材料
学分:宾夕法尼亚大学 化学家可以通过设计定制的表面有铂的纳米材料来解决这两个问题，同时大量使用更常见的金属，如钴，以提供稳定性
默里团队擅长创造被称为纳米晶体的可控纳米材料，他们可以控制任何复合纳米材料的尺寸、形状和成分
在这项研究中，李把重点放在阴极催化剂的一种特定类型的燃料电池称为质子交换膜燃料电池
“阴极更成问题，因为材料要么是铂，要么是铂基材料，价格昂贵，反应速度较慢，”她说
“为阴极设计催化剂是设计一个好的燃料电池的主要重点
" Jishkariani解释说，挑战在于创造一种阴极，在这种阴极中铂和钴原子将形成稳定的结构
“我们知道钴和铂混合得很好；然而，如果你制造这两种元素的合金，你会随机添加铂和钴原子，”他说
以随机顺序添加更多的钴会导致钴浸出到电极中，这意味着燃料电池只能在短时间内发挥作用
为了解决这个问题，研究人员设计了一种由层状铂和钴制成的催化剂，称为金属间相
通过精确控制每个原子在催化剂中的位置，并将结构锁定在适当的位置，阴极催化剂能够比原子随机排列时工作更长的时间
另一个意想不到的发现是，研究人员发现，向系统中添加更多的钴会导致更高的效率，铂钴比为1比1，优于许多其他铂钴比范围广泛的结构
赛斯2号
0 X光散射仪于2018年来到LRSM，帮助研究人员表征各种软硬材料的结构
学分:宾夕法尼亚大学 下一步将是测试和评估燃料电池组件中的金属间材料，以便与市售系统进行直接比较
默里小组还将研究新的方法，在没有高温的情况下创建金属间结构，并观察添加额外的原子是否会提高催化剂的性能
这项工作需要高分辨率的显微成像，李以前在布鲁克海文国家实验室做过这项工作，但由于最近的收购，现在可以在宾夕法尼亚的辛格纳米技术中心完成
默里说:“许多高端实验，我们不得不在全国各地，有时是在世界各地进行，现在我们可以在离家更近的地方进行。”
“对于从事能量转换和催化研究的人来说，我们在电子显微镜和x光散射方面取得的进步是一项了不起的成就
" 李还亲身体验了化学研究如何直接与现实世界的挑战相联系
她最近在国际贵金属协会的会议上介绍了这项工作，并说与贵金属界的成员见面很有启发性
“有些公司正在研究燃料电池技术，并谈论燃料电池汽车的最新设计，”她说
“你可以与从不同角度看待你的项目的人互动
" 默里将这项基础研究视为商业实施和现实世界应用的起点，强调未来的进展依赖于目前正在进行的前瞻性研究
“想想这个世界，我们已经取代了许多传统的基于化石燃料的投入，如果我们能够解决电能和化学能的相互转化，这将同时解决两个非常重要的问题
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