随着风能和太阳能等可再生能源迅速改变能源格局，科学家们正在寻找在需要时更好地储存能源的方法。将化学能转化为电能的燃料电池是长期储能的一种可能解决方案，并且有朝一日可用于为卡车和汽车提供燃料而不燃烧燃料。但在燃料电池可以广泛使用之前，化学家和工程师需要找到使这种技术更具成本效益和稳定性的方法。
由Penn整合知识实验室的一项新研究由研究生Jennifer Lee领导的Christopher Murray教授展示了如何使用定制设计的纳米材料来应对这些挑战。在ACS应用材料与接口公司，研究人员展示了如何使用原子级设计从更便宜，更广泛使用的金属构建燃料电池，同时使材料具有长期稳定性。前博士后Davit Jishkariani和前学生赵英瑞和Stan Najmr，现任学生Daniel Rosen，以及教授James Kikkawa和Eric Stach也为这项工作做出了贡献。
为燃料电池供电的化学反应依赖于两个电极，负电极和正电极，由电解质隔开，电解质是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，后者向阴极行进并产生电流。
催化剂通常由贵金属如铂制成，但由于化学反应仅发生在材料表面上，因此材料表面上不存在的任何原子都被浪费掉了。由于燃料电池很难更换，因此催化剂稳定数月和数年也很重要。
化学家可以通过设计在表面具有铂的定制纳米材料同时在体积中使用更常见的金属(例如钴)来提供稳定性来解决这两个问题。Murray集团擅长制造控制良好的纳米材料，称为纳米晶体，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，Lee专注于称为质子交换膜燃料电池的特定类型燃料电池阴极中的催化剂。“阴极更是一个问题，因为这些材料要么是铂金，要么是铂金，价格昂贵且反应速度较慢，”她说。“设计阴极催化剂是设计良好燃料电池的主要焦点。”
Jishkariani解释说，挑战在于创造一种阴极，其中铂和钴原子将形成稳定的结构。“我们知道钴和铂混合良好;但是，如果你制造这两种合金，你就会以随机顺序添加铂和钴原子，”他说。以随机顺序添加更多的钴会使其浸出到电极中，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分层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位置，阴极催化剂能够比原子随机排列时更长时间地工作。作为一个额外的意外发现，研究人员发现，向系统中添加更多的钴可以提高效率，铂与钴的比例为1比1，优于许多其他具有多种铂钴比的结构。
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。Murray集团还将研究在没有高温的情况下创建金属间结构的新方法，并观察添加额外的原子是否可以提高催化剂的性能。
这项工作需要高分辨率的显微成像，这是李先前在布鲁克海文国家实验室所做的工作，但由于最近的收购，现在可以在宾夕法尼亚州辛格纳米技术中心完成。穆雷说：“我们不得不前往全国各地，有时在世界各地进行的许多高端实验，我们现在可以更接近家乡了。” “我们为电子显微镜和X射线散射带来的进步对于从事能量转换和催化研究的人来说是一个很好的补充。”
Lee还亲身体验了化学研究如何直接与现实世界的挑战联系起来。她最近在国际贵金属研究所会议上介绍了这项工作，并表示贵金属界的会员们很有启发性。“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。“你可以从不同角度与想到你的项目的人进行互动。”
默里认为这项基础研究是商业实施和现实世界应用的起点，强调未来的进展依赖于现在正在进行的前瞻性研究。“考虑到我们已经取代了许多传统化石燃料输入的世界，如果我们能够找出这种电能和化学能的相互转换，那将同时解决几个非常重要的问题。”