大气中的二氧化碳含量已达到前所未有的高度，这就更加需要清洁能源解决方案来替代化石燃料。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）来将氢气转化为能量；然而，弗吉尼亚大学艺术与科学学院和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。

燃料电池使电动汽车、工业和民用发电机成为可能，也是储存风能或太阳能所需的能源，它使用铂等金属引发化学反应，将氢气等燃料分裂成质子和电子，然后利用这些质子和电子发电。

到目前为止，稀有金属催化剂的有机替代品还不被认为是实用的，因为催化过程会导致它们分解成不再有用的组成部分。然而，在《美国化学学会杂志》上发表的一篇论文中，化学副教授查尔斯-马坎和迈克尔-希林斯基，以及博士生艾玛-库克和安娜-戴维斯，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。

马坎说，这种分子不仅可以启动氧气的还原反应（这是燃料电池内部发生的反应），还可以继续与反应产物发生反应，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都很稳定，而且它们能持续获得与过渡金属催化剂水平相当的活性。

查尔斯-马坎（左）和迈克尔-希林斯基（右）发现了一种有机分子，它可以取代燃料电池中稀有而昂贵的金属。资料来源：弗吉尼亚大学

这一发现为寻找使用可持续性更强、生产成本更低的材料的高效燃料电池迈出了重要一步，并有可能在未来五到十年内开发出下一代燃料电池。

"这种分子本身可能无法应用于燃料电池，"马坎说。"这一发现表明，可以存在碳基催化材料，如果用某些化学基团对其进行修饰，就有望将其转化为氧气还原反应的催化剂。最终的目标是将这种分子如此稳定的特性整合到大块材料中，以取代铂的使用。"

希林斯基的研究小组主要研究有机化学，他强调了研究小组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已有历史，但我们一直在研究它在化学反应中的用途，这些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。"如果没有查理-马坎的专业知识，我不认为我们会把它与燃料电池化学联系起来"。

这一发现还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，也可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，"马坎说。"它需要对甲烷进行高温蒸汽重整，以释放出用于生成过氧化氢的氢气。"

他的团队的研究成果还可以改进该工艺的催化部分，从而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，这一发现以及由此引发的合作所产生的影响可能远远超出能量储存的范围。"从大的方面来说，这项研究最令人兴奋的一点是，通过使催化剂电气化，我们改变了催化剂的反应方式。这是意料之外的事情，也可能对药物合成有用，我的研究小组正急于探索这一点。"

马坎的研究小组主要从事分子电化学研究，他还将这一发现归功于研究小组的跨学科性质。

"如果没有小组在制造能够进行必要反应的稳定有机分子方面的专有技术，这项工作就不可能完成。这种独特的有机分子使我们能够做到通常只有过渡金属才能做到的事情，"马坎说。