長期以來，燃料電池一直被視為有前途的動力源。但是大多數燃料電池太貴，效率太低或兩者兼而有之。威斯康星大學麥迪遜分校的團隊受生物學的啟發，開辟了一種新方法，他們設計了一種燃料電池，使用的是更便宜的材料和一種能夠使電子和質子穿梭的有機化合物。

這些裝置發明于19世紀30年代，直接從氫和氧等化學物質中發電，并且僅產生水蒸氣作為排放物。但是大多數燃料電池太昂貴，效率太低，或者兩者兼而有之。

威斯康星大學麥迪遜分校的團隊受生物學的啟發，于2018年10月3日在“Joule”雜志上發表了一篇文章，介紹了一種新的研究方法。他們設計了一種燃料電池，使用的是更廉價的材料和一種能夠使電子和質子穿梭的有機化合物。

在傳統的燃料電池中，來自氫的電子和質子被從一個電極傳送到另一個電極，在那里它們與氧氣結合產生水。該過程將化學能轉化為電能。為了在足夠短的時間內產生有意義的電荷，需要用一種催化劑來加速反應。

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

美國威斯康星大學麥迪遜分校的化學教授ShannonStahl與化學和生物工程學教授ThatcherRoot合作領導了這項研究，她表示，價格較低的金屬可以用作當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。“問題是，當你將過多的催化劑附著在電極上時，這種材料就會變得不那么有效。”他說，“這會導致能源效率的損失。”

該團隊的解決方案是將較低成本的金屬鈷裝入附近的反應堆中，其中較大量的材料不會影響其性能。然后，該團隊設計了一種策略，將電子和質子從該反應堆來回傳遞到燃料電池。

這種運輸的合適載體被證明是一種有機化合物——“醌”，一次可以同時攜帶兩個電子和質子。在研究小組的設計中，醌在燃料電池電極處拾取這些粒子，將它們運送到附近裝有廉價鈷催化劑的反應堆中，然后再返回燃料電池以接送更多的“粒子”。

經過幾次往返后，許多醌類化合物會降解成焦油狀物質。然而，Stahl的實驗室設計了一種超穩定的醌衍生物。通過改變其結構，該團隊大大減緩了醌類物質的惡化。事實上，他們組裝的化合物持續時間長達5,000小時，與以前的醌結構相比，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域問題的新方法。”Stahl說。他指出，他的新設計所產生的能量約占目前市場上氫燃料電池的20％。另一方面，該系統的效率大約是使用相關有機穿梭物的生物燃料電池的100倍。

Stahl和他的團隊的下一步計劃是提高醌介質的性能，使他們能夠更有效地穿梭電子并產生更多的能量。這一進步將使他們的設計能與傳統燃料電池的性能相匹配，但價格更低。

“該項目的最終目標是為工業提供無碳的發電選擇。”Stahl實驗室的博士后研究員兼出版物的合著者ColinAnson說。“我們的目標是找出行業需要什么，并創建一個能填補這個漏洞的燃料電池。”

開發更便宜的替代品的這一步驟，最終可能會為像亞馬遜和家得寶等已經使用氫燃料電池在其倉庫中駕駛叉車的公司帶來好處。

“盡管存在重大障礙，氫氣經濟似乎仍在一步一步的增長。”Stahl補充說。該項目的財政支持由分子電催化中心提供，該中心是一個能源前沿研究中心，由美國能源部，科學辦公室，基礎能源科學辦公室和威斯康星州校友研究基金會（WARF）通過WARF加速器項目資助。