對(duì)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(gòu)買(mǎi)珠寶的人都可以證明，鉑金價(jià)格昂貴。這對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)很難，但對(duì)于有前途的汽車(chē)電力來(lái)說(shuō)也是一個(gè)嚴(yán)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(xué)化學(xué)和生物工程教授布魯斯科爾領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組為尋找更便宜的替代品打開(kāi)了一扇大門(mén)。在Nature Communications雜志上發(fā)表的一篇論文中，研究人員報(bào)告說(shuō)，基于鉿的化合物與鉑相關(guān)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(yīng)的東西，”HiT Nano公司的首席科學(xué)家楊小芳和普林斯頓的合作伙伴楊小芳說(shuō)道，他正與科爾合作完成這個(gè)項(xiàng)目。

燃料電池通過(guò)將存儲(chǔ)在氫原子中的能量直接轉(zhuǎn)換成電來(lái)工作。宇航期以來(lái)一直使用燃料電池為衛(wèi)星和其他太空任務(wù)供電。今天，它們開(kāi)始被用于電動(dòng)汽車(chē)和公共汽車(chē)。

氫是最簡(jiǎn)單和最豐富的元素，不僅在這個(gè)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(guò)將氫分解成質(zhì)子和電子這兩種成分來(lái)產(chǎn)生電能。質(zhì)子流過(guò)膜并與氧氣結(jié)合形成水。帶負(fù)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(dòng)機(jī)或其他電氣設(shè)備提供動(dòng)力。這種分裂需要諸如鉑的材料來(lái)催化反應(yīng)。

催化劑也用于產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)中，氫氣用作燃料電池的燃料。在最理想的，與化石燃料無(wú)關(guān)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(gè)氫原子和一個(gè)氧)。反應(yīng)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(jìn)燃料電池結(jié)合了這兩種反應(yīng)。但目前大多數(shù)燃料電池依賴于由獨(dú)立系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣并作為燃料出售。

目前，兩種反應(yīng)的最佳催化劑是鉑族金屬?？茽栒f(shuō)，研究人員認(rèn)為這不會(huì)改變，因?yàn)?ldquo;鉑金幾乎是完美的”。對(duì)于鉑族金屬，抽出氫氣的電化學(xué)反應(yīng)快速有效，而且金屬可以經(jīng)受目前這種反應(yīng)所需的苛刻酸性條件。

但問(wèn)題是，鉑金是稀有且昂貴的。“你無(wú)法想象用基于鉑金的燃料電池取代交通基礎(chǔ)設(shè)施，”科爾說(shuō)。“在這種規(guī)模下使用它太罕見(jiàn)而且太貴了。”

對(duì)于此類應(yīng)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(yáng)中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)狀態(tài))，將氮原子結(jié)合到材料中。

以前，許多材料因電子化學(xué)應(yīng)用而被忽視，因?yàn)樗鼈兪遣粚?dǎo)電的。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，用氮等離子體處理氧化鉿會(huì)形成薄膜材料，起到高活性催化劑的作用，在強(qiáng)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(jì)劃接下來(lái)測(cè)試更便宜的鋯。

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

“未來(lái)的可再生經(jīng)濟(jì)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(shuō)。“這一步非常重要。”

但Yang和Koel強(qiáng)調(diào)，他們的發(fā)現(xiàn)不會(huì)導(dǎo)致新的廉價(jià)技術(shù)涌現(xiàn) - 甚至在不久的將來(lái)。目前，創(chuàng)建材料的過(guò)程很復(fù)雜，僅限于實(shí)驗(yàn)室。雖然他們已經(jīng)證實(shí)了這部電影的性能，但人們總是必須考慮實(shí)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(jìn)一步探索可能取代鉑金的材料打開(kāi)了大門(mén)。

“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(duì)我們測(cè)量過(guò)的屬性充滿信心，”科爾說(shuō)。“材料很復(fù)雜，所以我們還有很多工作要做。”