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大氣中的二氧化碳含量已達到前所未有的高度，這就更加需要清潔能源解決方案來替代化石燃料。研究人員面臨的一個障礙是，目前的燃料電池技術依賴于使用昂貴的金屬催化劑（如鉑）來將氫氣轉化為能量；然而，弗吉尼亞大學藝術與科學學院和研究生院的一個研究小組發現了一種有機分子，它可以有效地替代傳統的金屬催化劑，而且成本更低。

燃料電池使電動汽車、工業和民用發電機成為可能，也是儲存風能或太陽能所需的能源，它使用鉑等金屬引發化學反應，將氫氣等燃料分裂成質子和電子，然后利用這些質子和電子發電。

到目前為止，稀有金屬催化劑的有機替代品還不被認為是實用的，因為催化過程會導致它們分解成不再有用的組成部分。然而，在《美國化學學會雜志》上發表的一篇論文中，化學副教授查爾斯-馬坎和邁克爾-希林斯基，以及博士生艾瑪-庫克和安娜-戴維斯，發現了一種由碳、氫、氮和氟組成的有機分子，它有可能成為一種實用的替代品。

馬坎說，這種分子不僅可以啟動氧氣的還原反應（這是燃料電池內部發生的反應），還可以繼續與反應產物發生反應，然后恢復到原來的狀態。

這些分子在大多數分子降解的條件下都很穩定，而且它們能持續獲得與過渡金屬催化劑水平相當的活性。

查爾斯-馬坎（左）和邁克爾-希林斯基（右）發現了一種有機分子，它可以取代燃料電池中稀有而昂貴的金屬。資料來源：弗吉尼亞大學

這一發現為尋找使用可持續性更強、生產成本更低的材料的高效燃料電池邁出了重要一步，并有可能在未來五到十年內開發出下一代燃料電池。

"這種分子本身可能無法應用于燃料電池，"馬坎說。"這一發現表明，可以存在碳基催化材料，如果用某些化學基團對其進行修飾，就有望將其轉化為氧氣還原反應的催化劑。最終的目標是將這種分子如此穩定的特性整合到大塊材料中，以取代鉑的使用。"

希林斯基的研究小組主要研究有機化學，他強調了研究小組跨學科性質的重要性。"希林斯基說："我們用作催化劑的這種分子在我的實驗室已有歷史，但我們一直在研究它在化學反應中的用途，這些反應是在更大的含碳分子上進行的，比如藥物中的活性成分。"如果沒有查理-馬坎的專業知識，我不認為我們會把它與燃料電池化學聯系起來"。

這一發現還可能對過氧化氫的工業生產產生影響，過氧化氫是一種家用產品，也可用于造紙和廢水處理。

"制造過氧化氫的過程對環境不友好，而且非常耗能，"馬坎說。"它需要對甲烷進行高溫蒸汽重整，以釋放出用于生成過氧化氫的氫氣。"

他的團隊的研究成果還可以改進該工藝的催化部分，從而對工業和環境以及水處理技術產生積極影響。

希林斯基還指出，這一發現以及由此引發的合作所產生的影響可能遠遠超出能量儲存的范圍。"從大的方面來說，這項研究最令人興奮的一點是，通過使催化劑電氣化，我們改變了催化劑的反應方式。這是意料之外的事情，也可能對藥物合成有用，我的研究小組正急于探索這一點。"

馬坎的研究小組主要從事分子電化學研究，他還將這一發現歸功于研究小組的跨學科性質。

"如果沒有小組在制造能夠進行必要反應的穩定有機分子方面的專有技術，這項工作就不可能完成。這種獨特的有機分子使我們能夠做到通常只有過渡金屬才能做到的事情，"馬坎說。