據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2月18日(北京時(shí)間)報(bào)道，美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，首次采用鐵基催化劑快速、高效分裂氫氣發(fā)電，使燃料電池的成本大大降低。該研究成果刊登在最新一期《自然?化學(xué)》在線版上。
該實(shí)驗(yàn)室分子電催化中心帶頭人、化學(xué)家R.莫里斯?布洛克說(shuō)，現(xiàn)在燃料電池采用鉑作為催化劑，其缺點(diǎn)是價(jià)格要比鐵超出1000倍。而他的研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)使用較為便宜的金屬，如將鎳和鐵作為催化劑，可以快速分割氫達(dá)到每秒兩個(gè)分子，接近商業(yè)催化劑的效率。
燃料電池是通過(guò)氫使化學(xué)燃料中的電子發(fā)電：一大塊金屬的鉑作為催化劑，爆裂一個(gè)氫分子如同炸開(kāi)個(gè)雞蛋，像蛋清一樣的白色電子“淌”出形成電流。由于鉑特殊的化學(xué)性質(zhì)能夠做到這一點(diǎn)，因此化學(xué)家不能簡(jiǎn)單地用更便宜的鐵或鎳取代這種昂貴的金屬。然而，一種存在于自然界中被稱為“氫化酶”的分子可使鐵分裂氫。
布洛克和同事受到氫化酶運(yùn)用鐵作為催化劑的啟發(fā)，首先創(chuàng)造了幾個(gè)潛在的分子用于測(cè)試;然后對(duì)于表現(xiàn)最佳的分子確定其形狀和調(diào)整內(nèi)部電子的力量，以取得更多的改進(jìn)。
要做到這一點(diǎn)，需要在早期過(guò)程中不均衡地分離氫分子。鑒于一個(gè)氫分子是由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子構(gòu)成，研究中需用催化劑先拖拽走一個(gè)質(zhì)子并將其發(fā)送，而之后其會(huì)被一種叫做質(zhì)子受體的分子捕捉。在實(shí)際的燃料電池中，這種受體將被氧化。一旦最初的質(zhì)子與其電子之間的拉攏力量消散，電極便會(huì)很容易拽掉第一個(gè)電子。然后，另一個(gè)質(zhì)子和電子也同樣會(huì)被移除，這樣，兩個(gè)電子就會(huì)穿梭于電極間。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)定了催化劑分裂氫分子的速度，最高值大約每秒可以分裂兩個(gè)分子。此外，研究人員還確定了其過(guò)電壓，以衡量催化劑的效率。結(jié)果顯示，過(guò)電壓達(dá)160―220毫伏，顯然已經(jīng)具有商業(yè)催化劑的效率。研究團(tuán)隊(duì)目前正在設(shè)法減緩這些反應(yīng)步驟，以便也可加快其速度，以及確定在最佳條件下掌控該催化劑的執(zhí)行效果。
動(dòng)力電池的高昂成本，一直都是電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化普及的最大絆腳石。具體到燃料電池汽車上，電池整體成本被抬高的原因之一，便是使用“白金”――鉑作為催化劑。為此，科學(xué)家們此前一直在尋找更為價(jià)廉物美的替代品，并在碳、鐵材料方面取得了一定進(jìn)展，但到目前為止尚未實(shí)現(xiàn)重大突破。如果類似美國(guó)團(tuán)隊(duì)這樣的研究最終能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，新能源汽車的整體發(fā)展態(tài)勢(shì)和路徑方向，或許都將因此發(fā)生轉(zhuǎn)變。
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