新材料可以取代氢汽车中使用的昂贵的铂催化剂

什么比铂金更好?在氢燃料电池中，答案是共面的钴卟啉。这是一个令人满口的说法，如果你不是化学家，你可能从来没有听说过这些化合物。但这些分子-它们能够促进从氢气和氧气中产生能量所需的化学反应-可能是替代能源的下一个重大进步。

这些化合物在实验室中由Lego类似的化学构建块组装在一起，这些构建块被设计成可以组合在一起。它是摇晃和烘烤技术：科学家将这些碎片加入烧瓶中，将它们搅拌在一起并加热。随着时间的推移，构建块在正确的位置连接在一起，形成最终的复合体。

该材料便宜且易于大量生产。布法罗艺术与科学学院化学助理教授TimothyCook博士说，这使得它成为当今替代氢燃料电池中昂贵的铂催化剂的理想候选者，他的团队设计了新的自组装化合物。

有一天，这种技术可以使汽车制造商大幅削减氢汽车的价格，使更环保的汽车能够满足更多消费者的需求。低成本燃料电池还可以推动其他氢动力设备的开发，例如备用发电机。氢被认为是清洁能源，因为燃料电池仅排放水作为副产物。

库克说：“为了降低氢燃料汽车的价格并使其成为更多人的现实选择，我们需要一种比铂更便宜的催化剂。”“我们制造的催化剂可以大量自行组装。它中含有钌和钴-价格便宜得多的金属-然而，它与我们一起测试的市售铂催化剂一样好或更好。“

一项描述新材料的研究发表于5月29日的“化学：欧洲期刊”。库克的合着者包括第一作者AmandaN.Oldacre，他是最近的UB化学博士毕业生;UB化学博士生MatthewR.Crawley;和艾伦·E·弗里德曼博士，UB工程与应用科学学院材料设计与创新研究副教授。

自制催化剂

库克实验室专门研究分子自组装，这是一种创造新材料的强大过程。

“当我想到分子自组装时，我总是会想到乐高积木，”他说。“你有一个可以拼凑在一起的积木，就像一块拼图。这些积木相互吸引，当你把它们放在一起并增加能量时，它们会自己聚集在一起。

“自组装是制作复杂分子的好方法。通常，要合成一种新材料，你必须逐个添加碎片，这需要时间和金钱。分子自组装更快-它只需一步处理。”

Cofacial钴卟啉由两个称为钴卟啉的扁平分子组成，它们像三明治面包一样堆叠在一起，并由钌“夹子”连接。

为了制造最终的化合物，Cook的实验室设计了具有化学特性的卟啉和夹子，确保它们在正确的位置相互连接。然后该团队将卟啉溶液与夹子混合并加热。在两天内，这些碎片自组装形成共面钴卟啉。

灵感来自大自然的催化剂

就像它们被设计替代的铂催化剂一样，共面钴卟啉促进氢燃料电池中的化学反应，称为氧还原。这包括将氧分子分成两个独立的氧原子，然后可以与氢结合形成水-这种相互作用产生能量。

科学家早就知道卟啉在攫取和分解氧气方面非常出色：在人体中，这些分子的铁基型能够帮助我们将呼吸的氧气转化为水，在此过程中释放能量，库克说。

但他补充说，设计起催化剂作用的人造卟啉结构一直很困难。制造这些化合物的过程通常很昂贵，涉及许多步骤并且最终产生非常少的材料。

自组装解决了这些问题：库克团队为每100克起始材料制造了79克的共面钴卟啉-比其他实验室在合成类似材料时报告的产量低不到1%要好得多。此外，他的团队能够轻松更换和测试不同长度的钌夹，以微调化合物的电化学品质，着眼于设计理想的催化剂。

“这个项目的基础化学工作真的很有意义，这可能对碳中性能量转换产生很大影响，”第一作者Oldacre说。“使用自组装技术，我们能够在48小时内制造更便宜的材料，而无需其他合成新化合物的方法所需的困难，耗时的纯化步骤。