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

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

然而，現(xiàn)實中生產(chǎn)更好的催化劑說起來容易做起來難。催化劑的有效性部分取決于其活性部位的數(shù)量和質量，這是由于該部位的特定幾何結構和電子性質。對這些場地進行工程設計可能是一個艱巨而低效的過程。

現(xiàn)在，特拉華大學的研究人員已經(jīng)徹底改變了科學家設計催化劑結構的方法。他們的工作，以最新一期的領先科學雜志《自然化學》為特色，建立了一種管理高度結構敏感的化學物質的新方法，以在考慮催化劑穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)最高可能的活性。

迪翁·弗拉喬斯，UD化學工程的主席，也是論文的合著者說"在原子水平上優(yōu)化催化劑一直是一個長期存在的難題，因為活性中心通常是未知的，如何最好地將它們組合在一起以進行化學反應仍然是個謎，"，"當我們設計材料以提高性能時，材料的穩(wěn)定性至關重要。我們的方法是第一個同時解決原子精度和材料穩(wěn)定性的晶體工程問題。"

根據(jù)研究人員的說法，使他們的方法與眾不同的是簡化材料合成，使用計算機在催化劑表面制造微觀變化或納米缺陷。"過去，研究人員一次一個地模擬不同的活性位點，這非常耗時，"合著者MarcelNunez說，他在UD獲得化學和生物分子工程博士學位，現(xiàn)在在英特爾擔任設計工程師。"我們的方法是自動化。它確實是同類產(chǎn)品中的第一款，有助于使催化劑更容易合成，在化學反應中更穩(wěn)定。"

JoshLansford是Vlachos實驗室的博士生，也是論文的合著者，他強調說，雖然計算是從一個小尺度開始的——在這個例子中，是量子的——但結果卻完全不同。

他說："這一切都是為了調整催化劑的表面結構，以減少反應進行所需的能量。""站點越活躍，電流就越高，這會制造出更快的反應和更強大的燃料電池。"

研究人員利用一種稱為氧還原反應（ORR）的過程證明了他們的新方法的有效性，該過程通常被用來在燃料電池中為運輸提供動力。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。

雖然燃料電池還沒有大規(guī)模實現(xiàn)經(jīng)濟可行性，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)濟的能源生產(chǎn)開辟新的途徑。

研究人員介紹說："我們的方法學的長期遠景是，它將被用來設計計算機上所需的催化劑結構。""然后將在實驗室合成和表征催化劑，并將其用于燃料電池，其性能高于當前的工業(yè)標準。我們的方法使我們更傾向于清潔燃料電池汽車的經(jīng)濟可行性。"

這項研究得到了美國能源部科學辦公室、高級科學計算研究辦公室和美國特種部高級研究項目局（DARPA）的支持。