科学家利用诺贝尔化学奖来实现清洁能源的突破

科学家利用诺贝尔化学奖来实现清洁能源的突破

科学家利用一种诺贝尔奖化学技术对金属混合物进行了研究，有望降低电动汽车燃料电池的成本，并减少传统汽车的有害排放。研究人员翻译了一项获得2017年诺贝尔化学奖的生物技术，揭示了金属纳米颗粒的原子尺度化学。这些材料是燃料电池等能源转换系统最有效的催化剂之一。这是这种技术首次用于此类研究。

这些粒子具有复杂的星形几何结构，这项新研究表明，它们的边缘和角落可以有不同的化学成分，现在可以通过调整化学成分来降低电池和催化转换器的成本。2017年诺贝尔化学奖授予约阿希姆·弗兰克、理查德·亨德森和雅克·杜波切特，以表彰他们在开创“单粒子重建”技术方面的贡献。这种电子显微镜技术揭示了大量病毒和蛋白质的结构，但通常不用于金属。

现在，曼彻斯特大学(University of Manchester)的一个团队与牛津大学(University of Oxford)和麦格理大学(Macquarie University)的研究人员合作，利用诺贝尔奖得主的技术，绘制出了由数千个原子组成的金属纳米颗粒的三维元素图。他们的研究发表在《纳米快报》(Nano Letters)杂志上，证明在纳米尺度上绘制不同元素的三维图是可能的，从而避免对正在研究的粒子的损害。

金属纳米颗粒是许多催化剂的主要成分，例如用于转化汽车尾气中的有毒气体的催化剂。它们的有效性很大程度上取决于它们的结构和化学性质，但由于它们的结构非常小，需要电子显微镜才能提供图像。然而，大多数成像仅限于二维投影。

来自曼彻斯特大学材料学院的Sarah Haigh教授说:“我们一直在研究利用电子显微镜的断层扫描技术来绘制三维元素分布。”“我们通常旋转粒子，从各个方向拍摄图像，就像医院里的CT扫描，但这些粒子的破坏性太快，无法生成3D图像。”生物学家使用一种不同的方法进行3D成像，我们决定探索这种方法是否可以与光谱技术一起用于绘制纳米颗粒内部的不同元素。“就像‘单粒子重建’一样，这项技术的工作原理是对许多粒子成像，假设它们在结构上都是相同的，但相对于电子束排列在不同的方向。”然后将图像输入计算机算法，计算机算法输出三维重建图像。

本文采用新的三维化学成像方法研究了铂镍金属纳米粒子。同样来自材料学院的首席作者王益驰补充道:“铂基纳米颗粒是燃料电池和电池等应用中最有效、应用最广泛的催化材料之一。我们对3D局部化学分布的新见解可以帮助研究人员设计出成本低、效率高的催化剂。

“我们的目标是在未来实现3D化学重建工作流程的自动化，”作者托马斯·斯莱特博士补充道。“我们希望它能提供一种快速、可靠的纳米粒子群体成像方法，这是加速纳米粒子合成优化的迫切需要，可广泛应用于生物医学传感、发光二极管和太阳能电池等领域。”