新的燃料电池概念将生物设计带入更好的发电 _知识经验

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长期以来，燃料电池一直被视为有前途的动力源。这些装置发明于19世纪30年代，直接从化学物质(如氢气和氧气)发电，并仅产生水蒸气作为排放物。但是大多数燃料电池太贵，效率低或两者兼而有之。
在一项受生物学启发的新方法中，今天(2018年10月3日)在Joule杂志上发表，威斯康星大学麦迪逊分校的团队设计了一种燃料电池，使用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。
在传统的燃料电池中，来自氢的电子和质子从一个电极传输到另一个电极，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量，需要催化剂来加速反应。
目前，市场上最好的催化剂是铂金 - 但它的价格很高。这使得燃料电池变得昂贵，这也是目前道路上只有几千辆汽车使用氢燃料的原因之一。
威斯康星大学麦迪逊化学教授Shannon Stahl与化学和生物工程教授撒切尔·根合作领导了这项研究，他表示，目前燃料电池中较便宜的金属可用作催化剂，但只有大量使用时才能使用。“问题是，当你将过多的催化剂附着在电极上时，材料变得不那么有效，”他说，“导致能源效率下降。”
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。
这种运输的正确载体被证明是一种有机化合物，称为醌，可以同时携带两个电子和质子。在团队的设计中，醌在燃料电池电极处拾取这些颗粒，将它们运送到附近装有廉价钴催化剂的反应器，然后返回燃料电池以接收更多的“乘客” 。
经过几次往返，许多醌类会降解成焦油状物质。然而，斯塔尔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的恶化。事实上，他们组装的化合物持续长达5,000小时 - 与以前的醌结构相比，寿命增加了100多倍。
【新的燃料电池概念将生物设计带入更好的发电】“虽然它不是最终解决方案，但我们的概念引入了一种解决该领域问题的新方法，”斯塔尔说。他指出，他的新设计的能量输出产生了目前市场上氢燃料电池可能产生的能量的20% 。另一方面，该系统比使用相关有机穿梭机的生物燃料电池有效约100倍。
斯塔尔和他的团队的下一步是提高醌介体的性能，使他们能够更有效地穿梭电子并产生更多的能量。这一进步将使其设计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选择， ”斯塔尔实验室和出版物合着者的博士后研究员科林安森说。“我们的目标是找出行业需要什么，并创建一个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成为像亚马逊和家得宝这样已经使用氢燃料电池在其仓库中驾驶叉车的公司的福音。
“尽管存在重大障碍，氢气经济似乎仍在增长， ”斯塔尔补充说，“一步一步。”