由激光熔化纳米粒子制成的廉价且高效的乙醇催化剂

乙醇燃料电池被认为是有前途的绿色电力来源。然而，其生产中使用昂贵的铂催化剂。位于克拉科夫的波兰科学院核物理研究所进行的悬浮液激光熔化研究，使研究人员找到了催化乙醇的材料，其催化乙醇的效率与铂相似，甚至可能更高，但由比铂金便宜很多倍的元素。

当纳米颗粒悬浮液受到激光脉冲照射时，悬浮液中的颗粒会开始熔化并永久粘在一起，同时快速进行或多或少复杂的化学反应。最近以这种方式获得的材料之一是由位于克拉科夫的波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN) 生产的，结果证明它在催化乙醇方面具有出乎意料的高效率，乙醇是一种被认为是一种有前途的能源化合物燃料电池的来源。

乙醇是一种具有许多优点的燃料——它可以以可再生的方式生产(例如，通过生物质)，易于储存且性低。然而，特别重要的是，与当前流行的电源相比，单位质量的乙醇可以获得数倍的电量。

乙醇驱动的燃料电池中的电力是通过与反应催化剂层上的乙醇氧化相关的过程产生的。不幸的是，目前的催化剂不允许乙醇快速且完全氧化成水和二氧化碳。结果，电池不仅无法达到最大效率，而且还会产生不需要的副产物，这些副产物沉积在催化剂上，随着时间的推移，导致其性能消失。

“乙醇电池商业成功的一个相当大的障碍也是它们的价格。我们发现的催化剂可以对其减少产生重大影响，从而对消费市场上新电池的供应产生重大影响。这是因为它的主要成分不是铂，而是铜，而铜的价格几乎比铂便宜 250 倍。”发表在《先进功能材料》杂志上的论文的第一作者 Mohammad Shakeri 博士 (IFJ PAN) 说道。

IFJ PAN 科学家的成就是激光控制悬浮液中附聚物的尺寸和化学成分的研究成果。复合材料激光纳米合成背后的主要思想是用适当选择的参数的非聚焦激光脉冲照射含有特定化学物质纳米颗粒团聚物的悬浮液。适当传递的能量导致颗粒的温度升高，它们在表面熔化并聚集成越来越大的结构，这些结构在与周围的冷液体接触时迅速冷却。颗粒达到的温度由许多因素决定，包括激光发射的光子的能量、光束的强度、脉冲的频率和长度，甚至悬浮液中团聚物的尺寸。

“根据团聚体达到的温度，除了纯粹结构性质的变化之外，材料中还可能发生各种化学反应。在我们的研究中，我们专注于对悬浮液中的物理和化学现象进行最准确的理论和实验分析，其中激光脉冲被铜及其氧化物纳米颗粒吸收。”Zaneta Swiatkowska-Warkocka 博士 (IFJ PAN) 解释道。

对于真实溶液颗粒，温度升高以纳秒为单位发生，速度太快而无法测量。在这种情况下，理论分子动力学分析成为了解所研究的铜系统的第一步，并在后期阶段得到克拉科夫普罗米修斯计算机集群执行的模拟的支持。得益于这些，研究人员确定了不同尺寸的团聚物会加热到什么温度以及在这些过程中可能形成什么化合物。此外，他们还检查了这些化合物是否热力学稳定或会发生进一步的转变。物理学家利用所获得的知识准备了一系列实验，其中铜及其氧化物纳米颗粒以不同比例进行激光融合。

获得的复合材料在 IFJ PAN 和 Cracow SOLARIS 回旋加速器等实验室进行了测试，以确定铜化合物的氧化程度。获得的信息使研究人员能够确定最佳催化剂。事实证明，这是一个由适当比例的铜及其第一和第二氧化态氧化物(即 Cu2O 和 CuO)构成的三组分系统。

“从乙醇催化效率的角度来看，关键的发现是我们的材料中存在氧化铜 Cu2O3 颗粒，这种颗粒通常在热力学上非常不稳定。一方面，它们的特点是极高的氧化程度，另一方面，我们发现它们主要位于Cu2O颗粒的表面，这实际上意味着它们与溶液有很好的接触。正是这些 Cu2O3 颗粒促进了酒精分子的吸附以及其中碳氢键的断裂，”Shakeri 博士说道。

克拉科夫物理学家对催化剂性能的测试取得了乐观的结果。即使在使用几个小时后，所选的复合材料仍保留完全氧化乙醇的能力。此外，其电催化效率被证明可与当代铂催化剂相媲美。从科学的角度来看，这个结果确实令人惊讶。附聚物的表面积越大，催化通行得越有效，这与其结构的破碎有关。然而，所研究的复合材料的尺寸不是纳米级的，而是大几个数量级的亚微米级。因此，如果物理学家将来成功地减小颗粒的尺寸，新催化剂的效率可能会进一步提高。

铜纳米结构激光融合的工作由波兰国家科学中心资助。