ORNL研究人员应用了一种称为电化学应变显微镜的技术，使他们能够检查燃料电池材料中氧还原/演化反应的动态，这可能揭示重新设计或降低能源设备成本的方法。该团队的研究结果发表在NatureChemistry上。

“如果我们能够找到一种方法来了解基本初级燃料电池的运行情况，并确定什么能使它以最佳方式工作，那么它将为开发更好的材料和设备创造一个全新的机会之窗“联合作者，ORNL纳米材料科学中心的研究科学家AmitKumar说。

虽然燃料电池长期以来被吹捧为将化学能转化为电能的高效方式，但其高成本-很大程度上是由于使用铂作为催化剂-限制了商业生产和消费。

大量的铂用于催化燃料电池的关键反应-氧还原反应，它控制电池的效率和寿命。然而，由于现有的装置级电化学技术不适合研究纳米尺度的反应，因此尚未探测到反应发生的确切方式和位置。ORNL的共同作者谢尔盖加里宁解释说，像电子显微镜这样的某些方法未能捕捉到燃料电池运行的动态，因为它们的分辨率实际上太高了。

“当你想了解燃料电池是如何工作的时候，你对单个原子的位置不感兴趣，你对它们在纳米尺度上的移动方式感兴趣，”Kalinin说。“这些固体中的移动离子几乎就像液体一样。它们不会留在原位。这些移动离子移动得越快，材料用于燃料电池的效果越好。电化学应变显微镜能够对这种离子迁移率进行成像。“

其他电化学技术无法研究氧还原反应，因为它们的分辨率仅为10微米-比纳米大10,000倍。

“如果反应是由微米结构特征控制得比微米更精细，让我们说晶界或单一扩展缺陷影响反应，那么你将永远无法捕捉导致减少或增强功能的因素。燃料电池，“ORNL的ESM显微镜制造商StephenJesse说。“你想在一个规模上进行探测，你可以识别这些缺陷，并将细胞的功能与这些缺陷联系起来。”

虽然这项研究主要侧重于技术的引入，但研究人员将他们的方法解释为理论和应用燃料电池理解之间急需的桥梁。

“基础科学和应用科学在燃料电池和电池等能源相关设备之间存在巨大差距，”加里宁说。“例如，半导体产业呈指数级发展，因为应用与基础科学之间的联系非常成熟。能源系统并非如此。它们通常比半导体复杂得多，因此很多开发都是由试错工作类型。“