長(zhǎng)期以來(lái)，燃料電池一直被視為有前途的動(dòng)力源。但是大多數(shù)燃料電池太貴，效率太低或兩者兼而有之。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的團(tuán)隊(duì)受生物學(xué)的啟發(fā)，開(kāi)辟了一種新方法，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種燃料電池，使用的是更便宜的材料和一種能夠使電子和質(zhì)子穿梭的有機(jī)化合物。

這些裝置發(fā)明于19世紀(jì)30年代，直接從氫和氧等化學(xué)物質(zhì)中發(fā)電，并且僅產(chǎn)生水蒸氣作為排放物。但是大多數(shù)燃料電池太昂貴，效率太低，或者兩者兼而有之。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的團(tuán)隊(duì)受生物學(xué)的啟發(fā)，于2018年10月3日在“Joule”雜志上發(fā)表了一篇文章，介紹了一種新的研究方法。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種燃料電池，使用的是更廉價(jià)的材料和一種能夠使電子和質(zhì)子穿梭的有機(jī)化合物。

在傳統(tǒng)的燃料電池中，來(lái)自氫的電子和質(zhì)子被從一個(gè)電極傳送到另一個(gè)電極，在那里它們與氧氣結(jié)合產(chǎn)生水。該過(guò)程將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。為了在足夠短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生有意義的電荷，需要用一種催化劑來(lái)加速反應(yīng)。

目前，市場(chǎng)上最好的催化劑是鉑金，但它的價(jià)格很高。這使得燃料電池價(jià)格昂貴，這也是目前在美國(guó)的道路上只有幾千輛汽車(chē)使用氫燃料的原因之一。

美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的化學(xué)教授ShannonStahl與化學(xué)和生物工程學(xué)教授ThatcherRoot合作領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，她表示，價(jià)格較低的金屬可以用作當(dāng)前燃料電池的催化劑，但只有在大量使用的情況下才能使用。“問(wèn)題是，當(dāng)你將過(guò)多的催化劑附著在電極上時(shí)，這種材料就會(huì)變得不那么有效。”他說(shuō)，“這會(huì)導(dǎo)致能源效率的損失。”

該團(tuán)隊(duì)的解決方案是將較低成本的金屬鈷裝入附近的反應(yīng)堆中，其中較大量的材料不會(huì)影響其性能。然后，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種策略，將電子和質(zhì)子從該反應(yīng)堆來(lái)回傳遞到燃料電池。

這種運(yùn)輸?shù)暮线m載體被證明是一種有機(jī)化合物——“醌”，一次可以同時(shí)攜帶兩個(gè)電子和質(zhì)子。在研究小組的設(shè)計(jì)中，醌在燃料電池電極處拾取這些粒子，將它們運(yùn)送到附近裝有廉價(jià)鈷催化劑的反應(yīng)堆中，然后再返回燃料電池以接送更多的“粒子”。

經(jīng)過(guò)幾次往返后，許多醌類(lèi)化合物會(huì)降解成焦油狀物質(zhì)。然而，Stahl的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種超穩(wěn)定的醌衍生物。通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)大大減緩了醌類(lèi)物質(zhì)的惡化。事實(shí)上，他們組裝的化合物持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5，000小時(shí)，與以前的醌結(jié)構(gòu)相比，壽命增加了100多倍。

“雖然這不是最終解決方案，但我們的概念引入了一種解決該領(lǐng)域問(wèn)題的新方法。”Stahl說(shuō)。他指出，他的新設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的能量約占目前市場(chǎng)上氫燃料電池的20％。另一方面，該系統(tǒng)的效率大約是使用相關(guān)有機(jī)穿梭物的生物燃料電池的100倍。

Stahl和他的團(tuán)隊(duì)的下一步計(jì)劃是提高醌介質(zhì)的性能，使他們能夠更有效地穿梭電子并產(chǎn)生更多的能量。這一進(jìn)步將使他們的設(shè)計(jì)能與傳統(tǒng)燃料電池的性能相匹配，但價(jià)格更低。

“該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是為工業(yè)提供無(wú)碳的發(fā)電選擇。”Stahl實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員兼出版物的合著者ColinAnson說(shuō)。“我們的目標(biāo)是找出行業(yè)需要什么，并創(chuàng)建一個(gè)能填補(bǔ)這個(gè)漏洞的燃料電池。”

開(kāi)發(fā)更便宜的替代品的這一步驟，最終可能會(huì)為像亞馬遜和家得寶等已經(jīng)使用氫燃料電池在其倉(cāng)庫(kù)中駕駛叉車(chē)的公司帶來(lái)好處。

“盡管存在重大障礙，氫氣經(jīng)濟(jì)似乎仍在一步一步的增長(zhǎng)。”Stahl補(bǔ)充說(shuō)。該項(xiàng)目的財(cái)政支持由分子電催化中心提供，該中心是一個(gè)能源前沿研究中心，由美國(guó)能源部，科學(xué)辦公室，基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室和威斯康星州校友研究基金會(huì)（WARF）通過(guò)WARF加速器項(xiàng)目資助。