燃料電池本有可能成為汽車、電腦和發(fā)電站的一種清潔高效的動(dòng)力來源，但是高昂的生產(chǎn)成本卻限制了它們的應(yīng)用。這是因?yàn)槌Ｒ娙剂想姵氐年P(guān)鍵組成部分——催化劑，是由貴金屬鉑制成的。

在今天發(fā)表于 Small上的一篇文章中，加州大學(xué)河濱分校的研究人員描述了一種廉價(jià)高效的用于制造聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）的催化劑材料。聚合物電解質(zhì)膜燃料電池是目前最有前途的燃料電池之一，它能將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能來驅(qū)動(dòng)汽車和電子產(chǎn)品。

這種由加州大學(xué)河濱分校開發(fā)的催化劑是由多孔碳納米纖維制成的，而這種納米碳纖維一般又是由儲(chǔ)量相對(duì)豐富的金屬（比如鈷，它的價(jià)格比鉑便宜100倍）制成的。這項(xiàng)研究是由加州大學(xué)河濱分校能源創(chuàng)新中心兼羅斯瑪麗伯恩工程學(xué)院的溫斯頓講席教授David Kisailus領(lǐng)導(dǎo)的。

相比于傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)，燃料電池具有效率高、噪音小和排放低的優(yōu)點(diǎn)，也因此受到了一些汽車制造商的青睞。而其中氫燃料電池的排放物更是只有水而已。

和普通電池一樣，燃料電池也是一種將電解質(zhì)夾在陰極和陽極之間的電化學(xué)裝置。將氫燃料注入陽極后會(huì)被催化劑分解成兩種粒子，分別為帶正電荷的質(zhì)子和帶負(fù)電荷的電子。在帶正電荷的氫離子和陽離子相結(jié)合形成水之前，這些通過外部電路傳導(dǎo)的電子會(huì)在傳導(dǎo)過程中為一些工作提供能量，比如給電動(dòng)馬達(dá)供電。

限制燃料電池應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素就是鉑高昂的成本，而這種催化劑的替代材料的開發(fā)將成為燃料電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

加州大學(xué)河濱分校的研究人員使用 “電紡”的技術(shù)制造了一層薄如紙的碳納米纖維，里面含有鈷鐵鎳等金屬離子。在加熱過程中，這些離子形成了超細(xì)金屬納米粒子，將碳催化轉(zhuǎn)化為高性能石墨碳。隨后，金屬納米粒子和殘余的非石墨碳被氧化，從而形成了一個(gè)多孔的、有用的金屬氧化物納米顆粒網(wǎng)絡(luò)，而金屬氧化納米粒子就分散在多孔的石墨網(wǎng)絡(luò)中。

Kisailus和他的團(tuán)隊(duì)通過與斯坦福大學(xué)科學(xué)家合作，確定了這種新材料與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鉑碳系統(tǒng)的表現(xiàn)平分秋色，但它的成本卻比鉑碳系統(tǒng)的成本要低得多。加州大學(xué)河濱分校的研究人員開發(fā)了一種低成本、高效的催化劑材料，用于制造聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池，這種燃料電池是最具潛力的燃料電池類型，可以為汽車和電子產(chǎn)品提供動(dòng)力。

Kisailus說:“化學(xué)和纖維加工條件的結(jié)合是使這些材料具有高性能的關(guān)鍵。它們卓越的電化學(xué)特性主要?dú)w功于協(xié)同效應(yīng)，而協(xié)同效應(yīng)則來源于暴露活性位點(diǎn)的金屬氧化物工程和三維分層多孔石墨結(jié)構(gòu)。”

Kisailus還補(bǔ)充說到，催化納米復(fù)合材料的另一個(gè)好處是，它的石墨纖維特性使它還具有一定的強(qiáng)度和耐用性，這將它不僅可以作為燃料電池催化劑，還可以作為一種結(jié)構(gòu)部件。

他最后說到說:“制造高性能汽車的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是在不影響性能和安全性的前提下減輕汽車重量，這里所說的汽車重量既包括汽車車身的重量，還包括電池或燃料電池的額外重量。而我們制造的材料可以幫助汽車制造商將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩或底盤等結(jié)構(gòu)部件轉(zhuǎn)變?yōu)橛兄谔岣咂噭?dòng)力的功能部件。”