Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och University of Arkansas har utvecklat en mycket effektiv katalysator för att utvinna elektrisk energi från etanol, ett lättförvarat flytande bränsle som kan genereras från förnybara resurser. Katalysatorn, beskrivs i Journal of the American Chemical Society , styr elektrooxidationen av etanol längs en idealisk kemisk väg som frigör det flytande bränslets fulla potential av lagrad energi.

"Denna katalysator är en game changer som kommer att möjliggöra användningen av etanolbränsleceller som en lovande källa med hög energitäthet för "off-the-grid" elektrisk kraft, sa Jia Wang, Brookhaven Lab-kemist som ledde arbetet. En särskilt lovande tillämpning:flytande bränslecellsdrivna drönare.

"Etanolbränsleceller är lätta jämfört med batterier. De skulle ge tillräcklig kraft för att driva drönare med ett flytande bränsle som är lätt att fylla på mellan flygningar – även på avlägsna platser, " noterade Wang.

Mycket av etanolens potentiella kraft är låst i de kol-kolbindningar som utgör molekylens ryggrad. Katalysatorn som utvecklats av Wangs grupp avslöjar att att bryta dessa band vid rätt tidpunkt är nyckeln till att låsa upp den lagrade energin.

"Elektrooxidation av etanol kan producera 12 elektroner per molekyl, " sa Wang. "Men reaktionen kan utvecklas genom att följa många olika vägar."

De flesta av dessa vägar resulterar i ofullständig oxidation:Katalysatorerna lämnar kol-kol-bindningar intakta, frigör färre elektroner. De tar också bort väteatomer tidigt i processen, att utsätta kolatomer för bildning av kolmonoxid, som "förgiftar" katalysatorernas förmåga att fungera över tid.

"Den 12-elektroners fulla oxidationen av etanol kräver att kol-kolbindningen bryts i början av processen, medan väteatomer fortfarande är fästa, eftersom vätet skyddar kolet och förhindrar bildningen av kolmonoxid, " sa Wang. Sedan, flera steg av dehydrering och oxidation behövs för att slutföra processen.

Den nya katalysatorn - som kombinerar reaktiva element i en unik kärna-skalstruktur som Brookhaven-forskare har utforskat för en rad katalytiska reaktioner - påskyndar alla dessa steg.

För att göra katalysatorn, Jingyi Chen från University of Arkansas, som var gästforskare vid Brookhaven under en del av detta projekt, utvecklat en syntesmetod för att samdeponera platina och iridium på guldnanopartiklar. Platina och iridium bildar "monoatomiska öar" över ytan av guldnanopartiklarna. Det arrangemanget, Chen noterade, är nyckeln som står för katalysatorns enastående prestanda.

"Guldnanopartikelkärnorna inducerar dragpåkänning i platina-iridium monoatomiska öar, vilket ökar dessa elements förmåga att klyva kol-kolbindningarna, och sedan ta bort dess väteatomer, " Hon sa.

Zhixiu Liang, en doktorand vid Stony Brook University och den första författaren till tidningen, genomförde studier i Wangs labb för att förstå hur katalysatorn uppnår sin rekordhöga energiomvandlingseffektivitet. Han använde "in situ infraröd reflektionsabsorptionsspektroskopi" för att identifiera reaktionsmellanprodukterna och produkterna, jämföra de som produceras av den nya katalysatorn med reaktioner som använder en guldkärna/platina-skal-katalysator och även en platina-iridium-legeringskatalysator.

"Genom att mäta spektra som produceras när det infraröda ljuset absorberas i olika steg i reaktionen, denna metod låter oss spåra, vid varje steg, vilka arter som har bildats och hur mycket av varje produkt, " Sa Liang. "Spektran avslöjade att den nya katalysatorn styr etanol mot den 12-elektroners fulla oxidationsvägen, frigör bränslets fulla potential av lagrad energi."

Nästa steg, Wang noterade, är att konstruera enheter som innehåller den nya katalysatorn.

De mekanistiska detaljerna som avslöjas av denna studie kan också hjälpa till att vägleda den rationella designen av framtida flerkomponentkatalysatorer för andra applikationer.