科學家利用諾貝爾化學獎來實現清潔能源的突破

科學家利用諾貝爾化學獎來實現清潔能源的突破

科學家利用一種諾貝爾獎化學技術對金屬混合物進行了研究，有望降低電動汽車燃料電池的成本，並減少傳統汽車的有害排放。研究人員翻譯了一項獲得2017年諾貝爾化學獎的生物技術，揭示了金屬納米顆粒的原子尺度化學。這些材料是燃料電池等能源轉換系統最有效的催化劑之一。這是這種技術首次用於此類研究。

這些粒子具有複雜的星形幾何結構，這項新研究表明，它們的邊緣和角落可以有不同的化學成分，現在可以通過調整化學成分來降低電池和催化轉換器的成本。2017年諾貝爾化學獎授予約阿希姆·弗蘭克、理查德·亨德森和雅克·杜波切特，以表彰他們在開創“單粒子重建”技術方面的貢獻。這種電子顯微鏡技術揭示了大量病毒和蛋白質的結構，但通常不用於金屬。

現在，曼徹斯特大學(University of Manchester)的一個團隊與牛津大學(University of Oxford)和麥格理大學(Macquarie University)的研究人員合作，利用諾貝爾獎得主的技術，繪製出了由數千個原子組成的金屬納米顆粒的三維元素圖。他們的研究發表在《納米快報》(Nano Letters)雜誌上，證明在納米尺度上繪製不同元素的三維圖是可能的，從而避免對正在研究的粒子的損害。

金屬納米顆粒是許多催化劑的主要成分，例如用於轉化汽車尾氣中的有毒氣體的催化劑。它們的有效性很大程度上取決於它們的結構和化學性質，但由於它們的結構非常小，需要電子顯微鏡才能提供圖像。然而，大多數成像僅限於二維投影。

來自曼徹斯特大學材料學院的Sarah Haigh教授說:“我們一直在研究利用電子顯微鏡的斷層掃描技術來繪製三維元素分佈。”“我們通常旋轉粒子，從各個方向拍攝圖像，就像醫院裡的CT掃描，但這些粒子的破壞性太快，無法生成3D圖像。”生物學家使用一種不同的方法進行3D成像，我們決定探索這種方法是否可以與光譜技術一起用於繪製納米顆粒內部的不同元素。“就像‘單粒子重建’一樣，這項技術的工作原理是對許多粒子成像，假設它們在結構上都是相同的，但相對於電子束排列在不同的方向。”然後將圖像輸入計算機算法，計算機算法輸出三維重建圖像。

本文采用新的三維化學成像方法研究了鉑鎳金屬納米粒子。同樣來自材料學院的首席作者王益馳補充道:“鉑基納米顆粒是燃料電池和電池等應用中最有效、應用最廣泛的催化材料之一。我們對3D局部化學分佈的新見解可以幫助研究人員設計出成本低、效率高的催化劑。

“我們的目標是在未來實現3D化學重建工作流程的自動化，”作者托馬斯·斯萊特博士補充道。“我們希望它能提供一種快速、可靠的納米粒子群體成像方法，這是加速納米粒子合成優化的迫切需要，可廣泛應用於生物醫學傳感、發光二極管和太陽能電池等領域。”