大氣中的二氧化碳濃度已經達到了前所未有的高度，這加劇了對清潔能源作爲化石燃料替代品的需求。研究人員面臨的一個障礙是，目前的燃料電池技術依賴于使用昂貴的金屬催化劑，如鉑，將氫轉化爲能量；然而，來自弗吉尼亞大學學院和藝術與科學研究生院的一個研究小組發現了一種有機分子，它可以有效地替代傳統的金屬催化劑，而且成本更低。

制造電動汽車、工業和住宅發電機的燃料電池，以及儲存風能或太陽能所需的燃料電池，使用鉑等金屬來觸發化學反應，將氫氣等燃料源分解成質子和電子，然後利用這些質子和電子發電。

到目前爲止，人們認爲稀有金屬催化劑的有機替代品並不實用，因爲催化過程會使它們分解成不再有用的組成部分。然而，在《美國化學會雜志》上發表的一篇論文中，化學副教授Charles Machan和Michael Hilinski，以及博士生Emma Cook和Anna Davis，發現了一種由碳、氫、氮和氟組成的有機分子，它有可能成爲一種實用的替代品。

新型催化劑的潛力和穩定性

Machan說，這種分子不僅可以啓動氧的還原 —— 這是發生在燃料電池內部的反應；它可以繼續與反應産物反應，然後恢複到原來的狀態。

“這些分子在大多數分子降解的條件下是穩定的，並且它們繼續達到與過渡金屬催化劑水平相匹配的活性，”Machan說。

這一發現在尋找高效燃料電池方面邁出了重要的一步，這種燃料電池使用的材料更可持續，生産成本更低，可能在未來五到十年內導致下一代燃料電池的發展，但該團隊的發現僅僅是個開始。

“這種分子本身可能無法制成燃料電池，”Machan說。“這一發現表明，可能存在碳基催化材料，如果你用某些化學基團修飾這些材料，你就有希望把它們變成氧還原反應的偉大催化劑。最終的目標是將使這種分子如此穩定的特性整合到塊狀材料中，以取代鉑的使用。”

更廣泛的影響和未來的研究

希林斯基的研究小組專注于有機化學，他強調了研究團隊跨學科性質的重要性。希林斯基說：“我們用作催化劑的這種分子，在我的實驗室裏已經有了曆史，但我們一直在研究它在化學反應中的用途，這些化學反應是在更大的含碳分子上進行的，比如藥物中的活性成分。如果沒有Machan的專業知識，我認爲我們不會把燃料電池化學聯系起來。”

這一發現也可能對過氧化氫的工業生産産生影響，過氧化氫是一種家用産品，也用于造紙和廢水處理。

“制造過氧化氫的過程對環境不友好，而且非常耗能，”Machan說。“它需要對甲烷進行高溫蒸汽重整，以釋放用于生成甲烷的氫氣。”

他的研究小組的發現還可以改善該過程的催化成分，這可能對工業和環境以及水處理技術産生積極影響。

希林斯基還指出，這一發現和導致這一發現的合作，可能會産生遠遠超出能源儲存的影響。“總的來說，這項研究最令人興奮的事情之一是，通過給催化劑通電，我們改變了它的反應方式。這是意想不到的，也可能對藥物合成有用，這是我的研究小組渴望探索的。”

Machan的研究小組專注于分子電化學，他也將這一發現歸功于研究小組的跨學科性質。

Machan說，如果沒有邁克·希林斯基小組在制造穩定的有機分子方面的專業知識，這些分子可以進行必要的反應，這項工作是不可能完成的。這種獨特的有機分子使我們能夠做一些通常只有過渡金屬才能做的事情。

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