对于氢能普通材料可能几乎和昂贵的铂金一样好

任何购买珠宝的人都可以证明，铂金价格昂贵。这对消费者来说很难，但对于有前途的汽车电力来说也是一个严重的障碍：氢燃料电池，它依赖于铂金。

现在由普林斯顿大学生物和化学工程教授布鲁斯·科尔(Bruce E. Koel)领导的一个研究小组已经开启了寻找更便宜的替代品的大门。在4月4日发表在Nature Communications杂志上的一篇论文中，研究人员报告说，一种基于铪的化合物的工作效率与铂相关材料相当，约为60%，但成本约为其五分之一。

“我们希望找到更丰富，更便宜的催化反应的东西，”HiT Nano公司的首席科学家杨小芳和普林斯顿的合作伙伴杨小芳说道，他正与科尔合作完成这个项目。

燃料电池通过将存储在氢原子中的能量直接转换成电来工作。美国宇航局长期以来一直使用燃料电池为卫星和其他太空任务供电。今天，它们开始被用于电动汽车和公共汽车。

氢是最简单和最丰富的元素，不仅在这个星球上，而且在已知的宇宙中。

在最基本的层面上，燃料电池通过将氢分解成质子和电子这两种成分来产生电能。质子流过膜并与氧气结合形成水。带负电的电子流向燃料电池中的带正电极。这种电子流是燃料电池产生的电流，可以为发动机或其他电气设备提供动力。这种分裂需要诸如铂的材料来催化反应。

催化剂也用于产生氢气的反应中，氢气用作燃料电池的燃料。在最理想的，与化石燃料无关的情况下，可再生电能可用于在催化剂存在下分裂水分子(两个氢原子和一个氧)。反应将水分解成氧气和氢气。催化剂越有效，分裂水所需的能量越少。

一些称为再生燃料电池的先进燃料电池结合了这两种反应。但目前大多数燃料电池依赖于由独立系统产生的氢气并作为燃料出售。

普林斯顿的研究人员开发出一种方法，可以为燃料电池和氢燃料生产制造成本更低的催化剂。左起，研究小组成员包括化学和生物工程教授Bruce Koel; 和副研究员杨晓芳，访问研究员; 方钊，博士后研究员; 和姚瑶，普林斯顿材料研究所的高级研究学者和成像与分析中心主任。摄影：Frank Wojciechowski

目前，两种反应的最佳催化剂是铂族金属。科尔说，研究人员认为这不会改变，因为“铂金几乎是完美的”。对于铂族金属，抽出氢气的电化学反应快速有效，而且金属可以经受目前这种反应所需的苛刻酸性条件。

但问题是，铂金是稀有且昂贵的。“你无法想象用基于铂金的燃料电池取代交通基础设施，”科尔说。“在这种规模下使用它太罕见而且太贵了。”

对于此类应用，可能不需要铂金的完美。研究人员发现，一种足够好的替代品是用氮等离子体处理的羟基氧化铪(等离子体是一种电离气体，是在荧光灯和太阳中发现的物质状态)，将氮原子结合到材料中。

以前，许多材料因电子化学应用而被忽视，因为它们是不导电的。然而，研究人员发现，用氮等离子体处理氧化铪会形成薄膜材料，起到高活性催化剂的作用，在强酸条件下也能存活。

虽然这种铪基薄膜的效率仅为铂的三分之二，但铪比铂便宜得多。研究人员计划接下来测试更便宜的锆。

尽管它们可用于燃料电池，但Yang和Koel认为，这些材料在部署催化剂以电化学分解水以产生氢气用作燃料的系统中可能是最有价值的。

“未来的可再生经济在很大程度上取决于我们如何有效地分解水以产生氢气，”杨说。“这一步非常重要。”

但杨和科尔强调，他们的发现不会导致新的可负担技术的涌现 - 甚至在不久的将来。目前，创建材料的过程很复杂，仅限于实验室。虽然他们已经证实了这部电影的性能，但人们总是必须考虑实际上大规模制作电影所需的工程。相反，这一发现为进一步探索可能取代铂金的材料打开了大门。

“我们仍然不明白为什么这种特殊的材料如此特殊，但我们对我们测量过的属性充满信心，”科尔说。“材料很复杂，所以我们还有很多工作要做。”

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