對于氫燃料電池世俗材料可能幾乎和昂貴的鉑金一樣好

任何購買珠寶的人都可以證明，鉑金價格昂貴。這對消費者來說很難，但對于有前途的汽車電力來說也是一個嚴重的障礙：氫燃料電池，它依賴于鉑金。

現(xiàn)在，由普林斯頓大學化學和生物工程教授布魯斯科爾領導的一個研究小組為尋找更便宜的替代品打開了一扇大門。在Nature Communications雜志上發(fā)表的一篇論文中，研究人員報告說，基于鉿的化合物與鉑相關材料的效率約為60%，但成本約為其五分之一。

“我們希望找到更豐富，更便宜的催化反應的東西，”HiT Nano公司的首席科學家楊小芳和普林斯頓的合作伙伴楊小芳說道，他正與科爾合作完成這個項目。

燃料電池通過將存儲在氫原子中的能量直接轉(zhuǎn)換成電來工作。宇航期以來一直使用燃料電池為衛(wèi)星和其他太空任務供電。今天，它們開始被用于電動汽車和公共汽車。

氫是最簡單和最豐富的元素，不僅在這個星球上，而且在已知的宇宙中。

在最基本的層面上，燃料電池通過將氫分解成質(zhì)子和電子這兩種成分來產(chǎn)生電能。質(zhì)子流過膜并與氧氣結合形成水。帶負電的電子流向燃料電池中的帶正電極。這種電子流是燃料電池產(chǎn)生的電流，可以為發(fā)動機或其他電氣設備提供動力。這種分裂需要諸如鉑的材料來催化反應。

催化劑也用于產(chǎn)生氫氣的反應中，氫氣用作燃料電池的燃料。在最理想的，與化石燃料無關的情況下，可再生電能可用于在催化劑存在下分裂水分子(兩個氫原子和一個氧)。反應將水分解成氧氣和氫氣。催化劑越有效，分裂水所需的能量越少。

一些稱為再生燃料電池的先進燃料電池結合了這兩種反應。但目前大多數(shù)燃料電池依賴于由獨立系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣并作為燃料出售。

目前，兩種反應的最佳催化劑是鉑族金屬?？茽栒f，研究人員認為這不會改變，因為“鉑金幾乎是完美的”。對于鉑族金屬，抽出氫氣的電化學反應快速有效，而且金屬可以經(jīng)受目前這種反應所需的苛刻酸性條件。

但問題是，鉑金是稀有且昂貴的。“你無法想象用基于鉑金的燃料電池取代交通基礎設施，”科爾說。“在這種規(guī)模下使用它太罕見而且太貴了。”

對于此類應用，可能不需要鉑金的完美。研究人員發(fā)現(xiàn)，一種足夠好的替代品是用氮等離子體處理的羥基氧化鉿(等離子體是一種電離氣體，是在熒光燈和太陽中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)狀態(tài))，將氮原子結合到材料中。

以前，許多材料因電子化學應用而被忽視，因為它們是不導電的。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，用氮等離子體處理氧化鉿會形成薄膜材料，起到高活性催化劑的作用，在強酸條件下也能存活。

雖然這種鉿基薄膜的效率僅為鉑的三分之二，但鉿比鉑便宜得多。研究人員計劃接下來測試更便宜的鋯。

雖然它們可用于燃料電池，但楊和科爾認為，這類材料的最大前景是在使用催化劑電化學分解水以產(chǎn)生氫氣用作燃料的系統(tǒng)中。

“未來的可再生經(jīng)濟在很大程度上取決于我們?nèi)绾斡行У胤纸馑援a(chǎn)生氫氣，”楊說。“這一步非常重要。”

但Yang和Koel強調(diào)，他們的發(fā)現(xiàn)不會導致新的廉價技術涌現(xiàn) - 甚至在不久的將來。目前，創(chuàng)建材料的過程很復雜，僅限于實驗室。雖然他們已經(jīng)證實了這部電影的性能，但人們總是必須考慮實際上大規(guī)模制作電影所需的工程。相反，這一發(fā)現(xiàn)為進一步探索可能取代鉑金的材料打開了大門。

“我們?nèi)匀徊幻靼诪槭裁催@種特殊的材料如此特殊，但我們對我們測量過的屬性充滿信心，”科爾說。“材料很復雜，所以我們還有很多工作要做。”