酝酿数十年：新催化剂将可使氢气燃料电池变得经济实惠

几十年来，生态友好燃料的商业化一直因铂金的高成本而停滞不前，但一项研究表明，低成本的催化剂可能是一种可行的替代品。多年来，研究人员一直在寻找一种能大大降低生产氢气燃料电池价格的催化剂。这样的突破可以带来一场绿色能源革命，笔记本电脑和火车都可以使用只产生水作为副产品的燃料。

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根据水牛城大学(UB)最近的研究结果，研究人员可能越来越接近于实现这一目标。

目前，美国能源部(DOE)已经将效率、耐久性和可负担性确定为燃料电池研究的三个主要目标。在最近发表在《Nature Energy》上的一项研究中，科学家们解释了铁是如何跟氮和碳结合在一以产生一种满足所有三个标准的催化剂。

该研究的论文第一作者、UB工程和应用科学学院化学和生物工程教授Gang Wu说道：“这已经酝酿了多年。我们相信这是一个重大的突破，进而最终将有助于释放氢燃料电池的巨大潜力。”

燃料电池的前景

根据美DOE的说法，燃料电池的操作跟电池类似但不会失去动力或需要充电。只要提供燃料如氢气，它们就会产生热量和动力。

由于它们跟内燃机相比产生较少或没有排放，所以它们长期以来一直吸引着科学家、环保主义者和其他人。此外，它们还有广泛的用途，包括为建筑物、发电厂、汽车和其他系统供电。

然而燃料电池缺乏广泛的商业化，除其他外，是由于加速关键燃料电池过程所需的昂贵催化剂的高成本。

一组被称为铂族金属的六种贵金属已被证明是最有效的催化剂。虽然这些金属是高效和持久的，但由于其稀缺性，它们的成本非常高。因此，研究人员正在寻找成本更低的选择。

克服障碍

铁基催化剂就是这样一种选择。铁非常有吸引力，因为它很丰且价格低廉。但它的性能不如铂金，特别是因为它缺乏耐久性从而无法承受燃料电池内的高度腐蚀性和氧化性环境。

为了克服这一障碍，研究小组将四个氮原子跟铁结合起来。研究人员随后将该材料嵌入几层石墨烯中以对局部几何和化学结构进行精确的原子控制。

由此产生的结构是一个大大改善的催化剂。按照研究小组的说法，这种催化剂被认为是迄今为止生产的最有效的铁基催化剂–超美国能源部2025年的电流密度目标；另外，它还实现了接近铂族催化剂的耐久性等级。

Wu表示，所有这些都表明，铁基催化剂有可能使燃料电池，尤其是氢燃料电池，在商业用途上更加实惠。现在，研究人员正在计划进行后续研究以进一步改进该催化剂。