什么比鉑金更好?在氫燃料電池中，答案是共面的鈷卟啉。這是一個(gè)令人滿口的說(shuō)法，如果你不是化學(xué)家，你可能從來(lái)沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)這些化合物。但這些分子-它們能夠促進(jìn)從氫氣和氧氣中產(chǎn)生能量所需的化學(xué)反應(yīng)-可能是替代能源的下一個(gè)重大進(jìn)步。

這些化合物在實(shí)驗(yàn)室中由Lego類(lèi)似的化學(xué)構(gòu)建塊組裝在一起，這些構(gòu)建塊被設(shè)計(jì)成可以組合在一起。它是搖晃和烘烤技術(shù)：科學(xué)家將這些碎片加入燒瓶中，將它們攪拌在一起并加熱。隨著時(shí)間的推移，構(gòu)建塊在正確的位置連接在一起，形成最終的復(fù)合體。

該材料便宜且易于大量生產(chǎn)。布法羅藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院化學(xué)助理教授TimothyCook博士說(shuō)，這使得它成為當(dāng)今替代氫燃料電池中昂貴的鉑催化劑的理想候選者，他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新的自組裝化合物。

有一天，這種技術(shù)可以使汽車(chē)制造商大幅削減氫汽車(chē)的價(jià)格，使更環(huán)保的汽車(chē)能夠滿足更多消費(fèi)者的需求。低成本燃料電池還可以推動(dòng)其他氫動(dòng)力設(shè)備的開(kāi)發(fā)，例如備用發(fā)電機(jī)。氫被認(rèn)為是清潔能源，因?yàn)槿剂想姵貎H排放水作為副產(chǎn)物。

庫(kù)克說(shuō)：“為了降低氫燃料汽車(chē)的價(jià)格并使其成為更多人的現(xiàn)實(shí)選擇，我們需要一種比鉑更便宜的催化劑。”“我們制造的催化劑可以大量自行組裝。它中含有釕和鈷-價(jià)格便宜得多的金屬-然而，它與我們一起測(cè)試的市售鉑催化劑一樣好或更好。“

一項(xiàng)描述新材料的研究發(fā)表于5月29日的“化學(xué)：歐洲期刊”。庫(kù)克的合著者包括第一作者AmandaN.Oldacre，他是最近的UB化學(xué)博士畢業(yè)生;UB化學(xué)博士生MatthewR.Crawley;和艾倫·E·弗里德曼博士，UB工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院材料設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究副教授。

自制催化劑

庫(kù)克實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)門(mén)研究分子自組裝，這是一種創(chuàng)造新材料的強(qiáng)大過(guò)程。

“當(dāng)我想到分子自組裝時(shí)，我總是會(huì)想到樂(lè)高積木，”他說(shuō)。“你有一個(gè)可以拼湊在一起的積木，就像一塊拼圖。這些積木相互吸引，當(dāng)你把它們放在一起并增加能量時(shí)，它們會(huì)自己聚集在一起。

“自組裝是制作復(fù)雜分子的好方法。通常，要合成一種新材料，你必須逐個(gè)添加碎片，這需要時(shí)間和金錢(qián)。分子自組裝更快-它只需一步處理。”

Cofacial鈷卟啉由兩個(gè)稱為鈷卟啉的扁平分子組成，它們像三明治面包一樣堆疊在一起，并由釕“夾子”連接。

為了制造最終的化合物，Cook的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了具有化學(xué)特性的卟啉和夾子，確保它們?cè)谡_的位置相互連接。然后該團(tuán)隊(duì)將卟啉溶液與夾子混合并加熱。在兩天內(nèi)，這些碎片自組裝形成共面鈷卟啉。

靈感來(lái)自大自然的催化劑

就像它們被設(shè)計(jì)替代的鉑催化劑一樣，共面鈷卟啉促進(jìn)氫燃料電池中的化學(xué)反應(yīng)，稱為氧還原。這包括將氧分子分成兩個(gè)獨(dú)立的氧原子，然后可以與氫結(jié)合形成水-這種相互作用產(chǎn)生能量。

科學(xué)家早就知道卟啉在攫取和分解氧氣方面非常出色：在人體中，這些分子的鐵基型能夠幫助我們將呼吸的氧氣轉(zhuǎn)化為水，在此過(guò)程中釋放能量，庫(kù)克說(shuō)。

但他補(bǔ)充說(shuō)，設(shè)計(jì)起催化劑作用的人造卟啉結(jié)構(gòu)一直很困難。制造這些化合物的過(guò)程通常很昂貴，涉及許多步驟并且最終產(chǎn)生非常少的材料。

自組裝解決了這些問(wèn)題：庫(kù)克團(tuán)隊(duì)為每100克起始材料制造了79克的共面鈷卟啉-比其他實(shí)驗(yàn)室在合成類(lèi)似材料時(shí)報(bào)告的產(chǎn)量低不到1%要好得多。此外，他的團(tuán)隊(duì)能夠輕松更換和測(cè)試不同長(zhǎng)度的釕夾，以微調(diào)化合物的電化學(xué)品質(zhì)，著眼于設(shè)計(jì)理想的催化劑。

“這個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)化學(xué)工作真的很有意義，這可能對(duì)碳中性能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生很大影響，”第一作者Oldacre說(shuō)。“使用自組裝技術(shù)，我們能夠在48小時(shí)內(nèi)制造更便宜的材料，而無(wú)需其他合成新化合物的方法所需的困難，耗時(shí)的純化步驟。