長(zhǎng)期以來(lái)，燃料電池一直被視為有前途的動(dòng)力和能源之一。燃料電池發(fā)明于19世紀(jì)30年代，直接用化學(xué)物質(zhì)（氫氣和氧氣）通過(guò)化學(xué)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(guó)公路上只有幾千輛燃料電池的原因之一。

受生物學(xué)啟發(fā)，美國(guó)大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jī)化合物。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的一個(gè)新方法受到生物學(xué)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(jī)化合物設(shè)計(jì)了一種燃料電池。 在傳統(tǒng)的燃料電池中，來(lái)自氫的電子和質(zhì)子從一個(gè)電極傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電極，在那里它們與氧氣結(jié)合產(chǎn)生水。該過(guò)程將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。為了在足夠短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生有意義的電荷量，需要催化劑來(lái)加速反應(yīng)。 眼下，市場(chǎng)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(guó)道路上只有幾千輛燃料電池汽車的原因之一。 

與化學(xué)和生物工程教授撒切爾·根合作領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的華盛頓大學(xué)化學(xué)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(dāng)你將過(guò)多的催化劑附著在電極上時(shí)，材料變得不那么有效，”他說(shuō)，“導(dǎo)致能源效率下降。” 該團(tuán)隊(duì)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(huì)影響其性能。然后，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種策略，將電子和質(zhì)子從該反應(yīng)堆來(lái)回傳遞到燃料電池。 這種運(yùn)輸?shù)恼_載體被證明是一種有機(jī)化合物，稱為醌，可以同時(shí)攜帶兩個(gè)電子和質(zhì)子。在團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)中，醌在燃料電池電極處拾取這些顆粒，將它們運(yùn)送到附近裝有廉價(jià)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(guò)幾次往返，許多醌類會(huì)降解成焦油狀物質(zhì)。然而，斯塔爾的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種超穩(wěn)定的醌衍生物。通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)大大減緩了醌的惡化。事實(shí)上，他們組裝的化合物持續(xù)長(zhǎng)達(dá)5,000小時(shí) - 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(shuō)。他指出，他的新設(shè)計(jì)的能量輸出產(chǎn)生了目前市場(chǎng)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(jī)穿梭機(jī)的生物燃料電池有效約100倍。 斯塔爾和他的團(tuán)隊(duì)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(jìn)步將允許他們的設(shè)計(jì)，以配合傳統(tǒng)燃料電池的性能，但價(jià)格會(huì)更低。 “該項(xiàng)目的終目標(biāo)是為工業(yè)提供無(wú)碳選擇，”斯塔爾實(shí)驗(yàn)室和出版物合著者的博士后研究員科林安森說(shuō)。“我們的目標(biāo)是找出行業(yè)需要什么，并創(chuàng)建一個(gè)填補(bǔ)這個(gè)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(cāng)儲(chǔ)叉車的公司的福音。 “盡管存在重大障礙，氫氣經(jīng)濟(jì)似乎仍在增長(zhǎng)，”斯塔爾補(bǔ)充說(shuō)，“一步一步。”