美國能源部太平洋西北國家實驗室的研究人員，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。

該實驗室分子電催化中心帶頭人、化學(xué)家R.莫里斯·布洛克說，現(xiàn)在燃料電池采用鉑作為催化劑，其缺點是價格要比鐵超出1000倍。而他的研究小組已經(jīng)開發(fā)使用較為便宜的金屬，如將鎳和鐵作為催化劑，可以快速分割氫達到每秒兩個分子，接近商業(yè)催化劑的效率。

燃料電池是通過氫使化學(xué)燃料中的電子發(fā)電：一大塊金屬的鉑作為催化劑，爆裂一個氫分子如同炸開個雞蛋，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，因此化學(xué)家不能簡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用鐵作為催化劑的啟發(fā)，首先創(chuàng)造了幾個潛在的分子用于測試;然后對于表現(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。

要做到這一點，需要在早期過程中不均衡地分離氫分子。鑒于一個氫分子是由兩個質(zhì)子和兩個電子構(gòu)成，研究中需用催化劑先拖拽走一個質(zhì)子并將其發(fā)送，而之后其會被一種叫做質(zhì)子受體的分子捕捉。在實際的燃料電池中，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，電極便會很容易拽掉第一個電子。然后，另一個質(zhì)子和電子也同樣會被移除，這樣，兩個電子就會穿梭于電極間。

通過實驗的設(shè)計，研究團隊測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分子。此外，研究人員還確定了其過電壓，以衡量催化劑的效率。結(jié)果顯示，過電壓達160—220毫伏，顯然已經(jīng)具有商業(yè)催化劑的效率。研究團隊目前正在設(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。