長期以來，燃料電池一直被視為有前途的動力和能源之一。燃料電池發(fā)明于19世紀30年代，直接用化學物質(zhì)（氫氣和氧氣）通過化學反應(yīng)發(fā)電，并排放物僅為水蒸氣。但是大多數(shù)燃料電池太貴和效率低，或者是兩者兼顧。燃料電池的高成本是目前美國公路上只有幾千輛燃料電池的原因之一。

受生物學啟發(fā)，美國大學團隊設(shè)計了一種新方法/新概念的燃料電池，使用更便宜的材料和一種能夠使電子和質(zhì)子穿梭的有機化合物。

威斯康星大學麥迪遜分校的一個新方法受到生物學的啟發(fā)并發(fā)表在Joule雜志上，他們使用更便宜的材料和一種能夠使電子和質(zhì)子穿梭的有機化合物設(shè)計了一種燃料電池。 在傳統(tǒng)的燃料電池中，來自氫的電子和質(zhì)子從一個電極傳輸?shù)搅硪粋€電極，在那里它們與氧氣結(jié)合產(chǎn)生水。該過程將化學能轉(zhuǎn)化為電能。為了在足夠短的時間內(nèi)產(chǎn)生有意義的電荷量，需要催化劑來加速反應(yīng)。 眼下，市場上hao的催化劑是鉑金，但鉑十分昂貴。這使得燃料電池變得昂貴，這也是目前美國道路上只有幾千輛燃料電池汽車的原因之一。 

與化學和生物工程教授撒切爾·根合作領(lǐng)導這項研究的華盛頓大學化學教授Shannon Stahl 表示，較便宜的金屬可用作現(xiàn)有燃料電池的催化劑，但于大量使用。“問題是，當你將過多的催化劑附著在電極上時，材料變得不那么有效，”他說，“導致能源效率下降。” 該團隊的解決方案是將較低成本的金屬鈷裝入附近的反應(yīng)堆中，其中較大量的材料不會影響其性能。然后，該團隊設(shè)計了一種策略，將電子和質(zhì)子從該反應(yīng)堆來回傳遞到燃料電池。 這種運輸?shù)恼_載體被證明是一種有機化合物，稱為醌，可以同時攜帶兩個電子和質(zhì)子。在團隊的設(shè)計中，醌在燃料電池電極處拾取這些顆粒，將它們運送到附近裝有廉價鈷催化劑的反應(yīng)器，然后返回燃料電池以接收更多的“乘客”。 經(jīng)過幾次往返，許多醌類會降解成焦油狀物質(zhì)。然而，斯塔爾的實驗室設(shè)計了一種超穩(wěn)定的醌衍生物。通過改變其結(jié)構(gòu)，該團隊大大減緩了醌的惡化。事實上，他們組裝的化合物持續(xù)長達5,000小時 - 與以前的醌結(jié)構(gòu)相比，壽命增加了100多倍。

“雖然它不是終解決方案，但我們的概念引入了一種解決該領(lǐng)域問題的新方法，”斯塔爾說。他指出，他的新設(shè)計的能量輸出產(chǎn)生了目前市場上氫燃料電池可能產(chǎn)生的能量的20％。另一方面，該系統(tǒng)比使用相關(guān)有機穿梭機的生物燃料電池有效約100倍。 斯塔爾和他的團隊的下一步是提高醌介體的性能，使他們能夠更有效地穿梭電子并產(chǎn)生更多的能量。這一進步將允許他們的設(shè)計，以配合傳統(tǒng)燃料電池的性能，但價格會更低。 “該項目的終目標是為工業(yè)提供無碳選擇，”斯塔爾實驗室和出版物合著者的博士后研究員科林安森說。“我們的目標是找出行業(yè)需要什么，并創(chuàng)建一個填補這個漏洞的燃料電池技術(shù)。” 開發(fā)更便宜的替代品的這一步驟終可能成為像亞馬遜和家得寶這樣已經(jīng)使用氫燃料電池在其倉儲叉車的公司的福音。 “盡管存在重大障礙，氫氣經(jīng)濟似乎仍在增長，”斯塔爾補充說，“一步一步。”