长期以来，燃料电池一直被视为有前途的动力源。但是大多数燃料电池太贵，效率太低或两者兼而有之。威斯康星大学麦迪逊分校的团队受生物学的启发，开辟了一种新方法，他们设计了一种燃料电池，使用的是更便宜的材料和一种能够使电子和质子穿梭的有机化合物。
这些装置发明于19世纪30年代，直接从氢和氧等化学物质中发电，并且仅产生水蒸气作为排放物。但是大多数燃料电池太昂贵，效率太低，或者两者兼而有之。
威斯康星大学麦迪逊分校的团队受生物学的启发，于2018年10月3日在“Joule”杂志上发表了一篇文章，介绍了一种新的研究方法。他们设计了一种燃料电池，使用的是更廉价的材料和一种能够使电子和质子穿梭的有机化合物。
在传统的燃料电池中，来自氢的电子和质子被从一个电极传送到另一个电极，在那里它们与氧气结合产生水。该过程将化学能转化为电能。为了在足够短的时间内产生有意义的电荷，需要用一种催化剂来加速反应。
目前，市场上最好的催化剂是铂金，但它的价格很高。这使得燃料电池价格昂贵，这也是目前在美国的道路上只有几千辆汽车使用氢燃料的原因之一。
美国威斯康星大学麦迪逊分校的化学教授Shannon Stahl与化学和生物工程学教授Thatcher Root合作领导了这项研究，她表示，价格较低的金属可以用作当前燃料电池的催化剂，但只有在大量使用的情况下才能使用。“问题是，当你将过多的催化剂附着在电极上时，这种材料就会变得不那么有效。”他说，“这会导致能源效率的损失。”
该团队的解决方案是将较低成本的金属钴装入附近的反应堆中，其中较大量的材料不会影响其性能。然后，该团队设计了一种策略，将电子和质子从该反应堆来回传递到燃料电池。
这种运输的合适载体被证明是一种有机化合物——“醌”，一次可以同时携带两个电子和质子。在研究小组的设计中，醌在燃料电池电极处拾取这些粒子，将它们运送到附近装有廉价钴催化剂的反应堆中，然后再返回燃料电池以接送更多的“粒子”。
经过几次往返后，许多醌类化合物会降解成焦油状物质。然而，Stahl的实验室设计了一种超稳定的醌衍生物。通过改变其结构，该团队大大减缓了醌类物质的恶化。事实上，他们组装的化合物持续时间长达5,000小时，与以前的醌结构相比，寿命增加了100多倍。
“虽然这不是最终解决方案，但我们的概念引入了一种解决该领域问题的新方法。”Stahl说。他指出，他的新设计所产生的能量约占目前市场上氢燃料电池的20％。另一方面，该系统的效率大约是使用相关有机穿梭物的生物燃料电池的100倍。
Stahl和他的团队的下一步计划是提高醌介质的性能，使他们能够更有效地穿梭电子并产生更多的能量。这一进步将使他们的设计能与传统燃料电池的性能相匹配，但价格更低。
“该项目的最终目标是为工业提供无碳的发电选择。” Stahl实验室的博士后研究员兼出版物的合著者Colin Anson说。“我们的目标是找出行业需要什么，并创建一个能填补这个漏洞的燃料电池。”
开发更便宜的替代品的这一步骤，最终可能会为像亚马逊和家得宝等已经使用氢燃料电池在其仓库中驾驶叉车的公司带来好处。
“尽管存在重大障碍，氢气经济似乎仍在一步一步的增长。” Stahl补充说。该项目的财政支持由分子电催化中心提供，该中心是一个能源前沿研究中心，由美国能源部，科学办公室，基础能源科学办公室和威斯康星州校友研究基金会（WARF）通过WARF加速器项目资助。

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