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新的燃料電池概念將生物設計帶入更好的發電

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新的燃料電池概念將生物設計帶入更好的發電

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長期以來 ， 燃料電池一直被視為有前途的動力源 。這些裝置發明于19世紀30年代 ， 直接從化學物質(如氫氣和氧氣)發電，并僅產生水蒸氣作為排放物 。但是大多數燃料電池太貴 ， 效率低或兩者兼而有之 。
在一項受生物學啟發的新方法中，今天(2018年10月3日)在Joule雜志上發表，威斯康星大學麥迪遜分校的團隊設計了一種燃料電池，使用更便宜的材料和一種能夠使電子和質子穿梭的有機化合物 。
在傳統的燃料電池中 ， 來自氫的電子和質子從一個電極傳輸到另一個電極，在那里它們與氧氣結合產生水 。該過程將化學能轉化為電能 。為了在足夠短的時間內產生有意義的電荷量，需要催化劑來加速反應 。
目前，市場上最好的催化劑是鉑金 - 但它的價格很高 。這使得燃料電池變得昂貴，這也是目前道路上只有幾千輛汽車使用氫燃料的原因之一 。
威斯康星大學麥迪遜化學教授Shannon Stahl與化學和生物工程教授撒切爾·根合作領導了這項研究 ， 他表示，目前燃料電池中較便宜的金屬可用作催化劑 ， 但只有大量使用時才能使用 。“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堆中，其中較大量的材料不會影響其性能 。然后 ， 該團隊設計了一種策略，將電子和質子從該反應堆來回傳遞到燃料電池 。
這種運輸的正確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子 。在團隊的設計中 ， 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器 ， 然后返回燃料電池以接收更多的“乘客” 。
經過幾次往返，許多醌類會降解成焦油狀物質 。然而，斯塔爾的實驗室設計了一種超穩定的醌衍生物 。通過改變其結構，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長達5,000小時 - 與以前的醌結構相比，壽命增加了100多倍 。
【新的燃料電池概念將生物設計帶入更好的發電】“雖然它不是最終解決方案，但我們的概念引入了一種解決該領域問題的新方法，”斯塔爾說 。他指出，他的新設計的能量輸出產生了目前市場上氫燃料電池可能產生的能量的20% 。另一方面，該系統比使用相關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生更多的能量 。這一進步將使其設計與傳統燃料電池的性能相匹配，但價格更低 。
“該項目的最終目標是為工業提供無碳選擇 ， ”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需要什么 ， 并創建一個填補這個漏洞的燃料電池 。”
開發更便宜的替代品的這一步驟最終可能成為像亞馬遜和家得寶這樣已經使用氫燃料電池在其倉庫中駕駛叉車的公司的福音 。
“盡管存在重大障礙，氫氣經濟似乎仍在增長 ， ”斯塔爾補充說，“一步一步 。”