電化學(xué)能源系統(tǒng)——將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程——是建立更高效的燃料電池和電池中可再生能源間歇發(fā)電和儲(chǔ)存的核心。

而系統(tǒng)中有一種物質(zhì)被稱為催化劑的主要物質(zhì)，這種物質(zhì)是用于加速化學(xué)反應(yīng)，是這些電化學(xué)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵參與者。例如，燃料電池的尺寸和效率，可以通過(guò)使用更高性能的催化劑來(lái)得到提升與改善。

然而，現(xiàn)實(shí)中生產(chǎn)更好的催化劑說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。催化劑的有效性部分取決于其活性部位的數(shù)量和質(zhì)量，這是由于該部位的特定幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。對(duì)這些場(chǎng)地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)可能是一個(gè)艱巨而低效的過(guò)程。

現(xiàn)在，特拉華大學(xué)的研究人員已經(jīng)徹底改變了科學(xué)家設(shè)計(jì)催化劑結(jié)構(gòu)的方法。他們的工作，以最新一期的領(lǐng)先科學(xué)雜志《自然化學(xué)》為特色，建立了一種管理高度結(jié)構(gòu)敏感的化學(xué)物質(zhì)的新方法，以在考慮催化劑穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)最高可能的活性。

迪翁·弗拉喬斯，UD化學(xué)工程的主席，也是論文的合著者說(shuō)"在原子水平上優(yōu)化催化劑一直是一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題，因?yàn)榛钚灾行耐ǔＪ俏粗?，如何最好地將它們組合在一起以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)仍然是個(gè)謎，"，"當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)材料以提高性能時(shí)，材料的穩(wěn)定性至關(guān)重要。我們的方法是第一個(gè)同時(shí)解決原子精度和材料穩(wěn)定性的晶體工程問(wèn)題。"

根據(jù)研究人員的說(shuō)法，使他們的方法與眾不同的是簡(jiǎn)化材料合成，使用計(jì)算機(jī)在催化劑表面制造微觀變化或納米缺陷。"過(guò)去，研究人員一次一個(gè)地模擬不同的活性位點(diǎn)，這非常耗時(shí)，"合著者M(jìn)arcelNunez說(shuō)，他在UD獲得化學(xué)和生物分子工程博士學(xué)位，現(xiàn)在在英特爾擔(dān)任設(shè)計(jì)工程師。"我們的方法是自動(dòng)化。它確實(shí)是同類產(chǎn)品中的第一款，有助于使催化劑更容易合成，在化學(xué)反應(yīng)中更穩(wěn)定。"

JoshLansford是Vlachos實(shí)驗(yàn)室的博士生，也是論文的合著者，他強(qiáng)調(diào)說(shuō)，雖然計(jì)算是從一個(gè)小尺度開(kāi)始的——在這個(gè)例子中，是量子的——但結(jié)果卻完全不同。

他說(shuō)："這一切都是為了調(diào)整催化劑的表面結(jié)構(gòu)，以減少反應(yīng)進(jìn)行所需的能量。""站點(diǎn)越活躍，電流就越高，這會(huì)制造出更快的反應(yīng)和更強(qiáng)大的燃料電池。"

研究人員利用一種稱為氧還原反應(yīng)（ORR）的過(guò)程證明了他們的新方法的有效性，該過(guò)程通常被用來(lái)在燃料電池中為運(yùn)輸提供動(dòng)力。由于地球大氣中氧氣豐富，ORR是生產(chǎn)不排放二氧化碳（CO2）的便攜式電源的理想方法。

雖然燃料電池還沒(méi)有大規(guī)模實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行性，可研人員希望他們的研究突破將有助于改變這一狀況，為更清潔和更經(jīng)濟(jì)的能源生產(chǎn)開(kāi)辟新的途徑。

研究人員介紹說(shuō)："我們的方法學(xué)的長(zhǎng)期遠(yuǎn)景是，它將被用來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)上所需的催化劑結(jié)構(gòu)。""然后將在實(shí)驗(yàn)室合成和表征催化劑，并將其用于燃料電池，其性能高于當(dāng)前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我們的方法使我們更傾向于清潔燃料電池汽車的經(jīng)濟(jì)可行性。"

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)能源部科學(xué)辦公室、高級(jí)科學(xué)計(jì)算研究辦公室和美國(guó)特種部高級(jí)研究項(xiàng)目局（DARPA）的支持。