9d709a61e8d32afba8498b6a68b5d862 可隨時補充能源的燃料電池,經常被視為化石能源的接手者之一,可惜的是結構中作為催化劑的鉑,也就是俗稱白金的材質相當昂貴,地殼之中的含量也非常稀少。威斯康辛大學麥迪遜分校在最近發表的研究中,使用分子催化劑替代原本的金屬化合物,效能已可追上鉑。

燃料電池的主要原理為,氫氣接觸到陽極產生氧化反應釋放出電子,電子以額外的路徑跑到陰極,而此路徑通常會放上馬達之類的負載將電能轉換成其它形式。氫氣失去電子之後,穿過電解質到達陰極,與從另外路徑的電子以及空氣結合,變成水或二氧化碳排放到大氣中。

在剛開始發明燃料電池的時候,陽極採用鉑作為催化劑,將氫氣分解成質子和電子,之後雖然有其它類型的燃料電池誕生,但還是需要金屬作為材料,譬如銠、鋰、鋯、鈀。當然在此領域一直都有新材料的研究,只是一直沒有辦法達到鉑的效率。

燃料電池
▲燃料電池的基本原理。(圖片取自維基百科,部分由筆者中文化)

近期於 ACS Central Science 發表的一篇研究指出,威斯康辛大學麥迪遜分校內部的一組化學團隊,受到他們先前化學工業中氧的應用研究啟發,發現過程與燃料電池原理相當類似,於是決定結合看看是否能夠激盪出火花。

這個用以取代鉑的新款分子催化劑,主要由次硝酸(Nitroxyl)和氮氧化物所組成。在過去也不是沒有人進行過分子催化劑用於燃料電池的研究,但這是首次能夠追上鉑反應效率,而且還能夠持續改良分子催化劑的結構,在未來甚至有達到更高反應速率的可能。

雖然一時半刻燃料電池的體積還無法縮小,搭載於你我的行動裝置,至少此研究已可大幅降低燃料電池的造價,也因不含重金屬,丟棄時比較不會造成環境汙染,對於未來人類朝向乾淨能源的終極目標又向前邁進了一步。

資料來源:

Molecular fuel cell catalysts hold promise for efficient energy storage

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