大气中的二氧化碳浓度已经达到了前所未有的高度，这加剧了对清洁能源作为化石燃料替代品的需求。研究人员面临的一个障碍是，目前的燃料电池技术依赖于使用昂贵的金属催化剂，如铂，将氢转化为能量；然而，来自弗吉尼亚大学学院和艺术与科学研究生院的一个研究小组发现了一种有机分子，它可以有效地替代传统的金属催化剂，而且成本更低。

制造电动汽车、工业和住宅发电机的燃料电池，以及储存风能或太阳能所需的燃料电池，使用铂等金属来触发化学反应，将氢气等燃料源分解成质子和电子，然后利用这些质子和电子发电。

到目前为止，人们认为稀有金属催化剂的有机替代品并不实用，因为催化过程会使它们分解成不再有用的组成部分。然而，在《美国化学会杂志》上发表的一篇论文中，化学副教授Charles Machan和Michael Hilinski，以及博士生Emma Cook和Anna Davis，发现了一种由碳、氢、氮和氟组成的有机分子，它有可能成为一种实用的替代品。

新型催化剂的潜力和稳定性

Machan说，这种分子不仅可以启动氧的还原 —— 这是发生在燃料电池内部的反应；它可以继续与反应产物反应，然后恢复到原来的状态。

“这些分子在大多数分子降解的条件下是稳定的，并且它们继续达到与过渡金属催化剂水平相匹配的活性，”Machan说。

这一发现在寻找高效燃料电池方面迈出了重要的一步，这种燃料电池使用的材料更可持续，生产成本更低，可能在未来五到十年内导致下一代燃料电池的发展，但该团队的发现仅仅是个开始。

“这种分子本身可能无法制成燃料电池，”Machan说。“这一发现表明，可能存在碳基催化材料，如果你用某些化学基团修饰这些材料，你就有希望把它们变成氧还原反应的伟大催化剂。最终的目标是将使这种分子如此稳定的特性整合到块状材料中，以取代铂的使用。”

更广泛的影响和未来的研究

希林斯基的研究小组专注于有机化学，他强调了研究团队跨学科性质的重要性。希林斯基说：“我们用作催化剂的这种分子，在我的实验室里已经有了历史，但我们一直在研究它在化学反应中的用途，这些化学反应是在更大的含碳分子上进行的，比如药物中的活性成分。如果没有Machan的专业知识，我认为我们不会把燃料电池化学联系起来。”

这一发现也可能对过氧化氢的工业生产产生影响，过氧化氢是一种家用产品，也用于造纸和废水处理。

“制造过氧化氢的过程对环境不友好，而且非常耗能，”Machan说。“它需要对甲烷进行高温蒸汽重整，以释放用于生成甲烷的氢气。”

他的研究小组的发现还可以改善该过程的催化成分，这可能对工业和环境以及水处理技术产生积极影响。

希林斯基还指出，这一发现和导致这一发现的合作，可能会产生远远超出能源储存的影响。“总的来说，这项研究最令人兴奋的事情之一是，通过给催化剂通电，我们改变了它的反应方式。这是意想不到的，也可能对药物合成有用，这是我的研究小组渴望探索的。”

Machan的研究小组专注于分子电化学，他也将这一发现归功于研究小组的跨学科性质。

Machan说，如果没有迈克·希林斯基小组在制造稳定的有机分子方面的专业知识，这些分子可以进行必要的反应，这项工作是不可能完成的。这种独特的有机分子使我们能够做一些通常只有过渡金属才能做的事情。

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