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(shù)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(fā)，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(zhì)子穿梭的有機化合物。

這些裝置發(fā)明于19世紀30年代，直接從氫和氧等化學物質(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。

威斯康星大學麥迪遜分校的團隊受生物學的啟發(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(zhì)子穿梭的有機化合物。

在傳統(tǒng)的燃料電池中，來自氫的電子和質(zhì)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(chǎn)生水。該過程將化學能轉(zhuǎn)化為電能。為了在足夠短的時間內(nèi)產(chǎn)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?！皢栴}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(zhì)子從該反應堆來回傳遞到燃料電池。

這種運輸?shù)暮线m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(zhì)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(jīng)過幾次往返后，許多醌類化合物會降解成焦油狀物質(zhì)。然而，Stahl的實驗室設計了一種超穩(wěn)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(zhì)的惡化。事實上，他們組裝的化合物持續(xù)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(chǎn)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(tǒng)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(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。這一進步將使他們的設計能與傳統(tǒng)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(yè)提供無碳的發(fā)電選擇?！盨tahl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(yè)需要什么，并創(chuàng)建一個能填補這個漏洞的燃料電池?！?/p>

開發(fā)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(jīng)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(jīng)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。