电化学能源系统——将电能转化为化学能的过程——是建立更高效的燃料电池和电池中可再生能源间歇发电和储存的核心。
而系统中有一种物质被称为催化剂的主要物质，这种物质是用于加速化学反应，是这些电化学能源系统的关键参与者。例如，燃料电池的尺寸和效率，可以通过使用更高性能的催化剂来得到提升与改善。
然而，现实中生产更好的催化剂说起来容易做起来难。催化剂的有效性部分取决于其活性部位的数量和质量，这是由于该部位的特定几何结构和电子性质。对这些场地进行工程设计可能是一个艰巨而低效的过程。
现在，特拉华大学的研究人员已经彻底改变了科学家设计催化剂结构的方法。他们的工作，以最新一期的领先科学杂志《自然化学》为特色，建立了一种管理高度结构敏感的化学物质的新方法，以在考虑催化剂稳定性的同时，实现最高可能的活性。
迪翁·弗拉乔斯，UD化学工程的主席，也是论文的合著者说"在原子水平上优化催化剂一直是一个长期存在的难题，因为活性中心通常是未知的，如何最好地将它们组合在一起以进行化学反应仍然是个谜，"，"当我们设计材料以提高性能时，材料的稳定性至关重要。我们的方法是第一个同时解决原子精度和材料稳定性的晶体工程问题。"
根据研究人员的说法，使他们的方法与众不同的是简化材料合成，使用计算机在催化剂表面制造微观变化或纳米缺陷。"过去，研究人员一次一个地模拟不同的活性位点，这非常耗时，"合著者MarcelNunez说，他在UD获得化学和生物分子工程博士学位，现在在英特尔担任设计工程师。"我们的方法是自动化。它确实是同类产品中的第一款，有助于使催化剂更容易合成，在化学反应中更稳定。"
JoshLansford是Vlachos实验室的博士生，也是论文的合著者，他强调说，虽然计算是从一个小尺度开始的——在这个例子中，是量子的——但结果却完全不同。
他说："这一切都是为了调整催化剂的表面结构，以减少反应进行所需的能量。""站点越活跃，电流就越高，这会制造出更快的反应和更强大的燃料电池。"
研究人员利用一种称为氧还原反应（ORR）的过程证明了他们的新方法的有效性，该过程通常被用来在燃料电池中为运输提供动力。由于地球大气中氧气丰富，ORR是生产不排放二氧化碳（CO2）的便携式电源的理想方法。
虽然燃料电池还没有大规模实现经济可行性，可研人员希望他们的研究突破将有助于改变这一状况，为更清洁和更经济的能源生产开辟新的途径。
研究人员介绍说："我们的方法学的长期远景是，它将被用来设计计算机上所需的催化剂结构。""然后将在实验室合成和表征催化剂，并将其用于燃料电池，其性能高于当前的工业标准。我们的方法使我们更倾向于清洁燃料电池汽车的经济可行性。"
这项研究得到了美国能源部科学办公室、高级科学计算研究办公室和美国特种部高级研究项目局（DARPA）的支持。
