类似豆类的化学构建块自我组装成氢燃料电池的催化剂

新的材料可以取代氢汽车中昂贵的铂催化剂

新的催化剂，钴卟啉，从不同的角度显示。这种化合物由两种叫做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，被钌的夹子连接起来。

比铂是什么?

在氢燃料电池中，答案是钴卟啉。

说起来有点拗口，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——它们在促进化学反应方面非常出色——它们需要从氢和氧中产生能量——这可能是替代能源的下一个重大进展。

这些化合物聚集在实验室里，由类似于legoas的化学组成模块组成，它们被设计成可以组合在一起。这是一种摇-烤技术:科学家们将碎片放入烧瓶中，搅拌并加热。随着时间的推移，这些建筑块在合适的地方结合在一起，形成最终的建筑群。

这种材料价廉物美，易于大批量生产。美国布法罗艺术与科学学院(University of Buffalo College of Arts and Sciences)的化学助理教授蒂莫西•库克(Timothy Cook)博士表示，这使它成为取代目前氢燃料电池中昂贵的铂催化剂的理想选择。他的团队设计了这种新型自组装化合物。

这样的技术有一天可以使汽车制造商降低氢汽车的价格，使更多的消费者能够买到环保汽车。低成本的燃料电池也可以推动其他氢动力设备的发展，比如备用发电机。氢被认为是一种清洁能源，因为燃料电池的副产品只有水。

库克表示:“为了降低氢燃料汽车的价格，让更多的人选择氢燃料，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我组装。它含有钌和钴——便宜得多的金属——然而，它的效果和我们在它旁边测试的一种商用铂催化剂差不多，甚至更好。

一项关于新材料的研究发表在5月29日的《化学:欧洲期刊》上。库克的合著者包括第一作者阿曼达·n·奥尔德克(Amanda N. Oldacre)，他是一位最近的UB化学博士研究生;UB化学博士研究生Matthew R. Crawley;Alan E. Friedman博士，联合大学工程与应用科学学院材料设计与创新研究副教授。

以催化剂

库克的实验室专门研究分子自组装，这是一种制造新材料的强大过程。

“当我想到分子自我组装时，我总是想到乐高积木，”他说。“你的积木被设计成可以组合在一起，就像拼图一样。”这些构建块相互吸引，当你把它们放在一起并添加能量时，它们就会自己聚集在一起。

“自我组装是制造复杂分子的好方法。通常，要合成一种新材料，你必须一个一个地添加，这需要时间和金钱。分子自组装速度更快——这是一个一步的过程。

钴卟啉由两种叫做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，由钌“夹”连接。

为了创造最终的化合物，库克的实验室设计了具有化学性质的卟啉和夹，以确保它们在正确的位置相互连接。然后，研究小组将卟啉的溶液与夹混合，并加温。两天后，这些碎片自行组装成钴卟啉。

一种受自然启发的催化剂

就像他们设计用来替代的铂催化剂一样，钴卟啉有助于氢燃料电池中的化学反应，即氧还原。这包括将一个氧分子分解成两个独立的氧原子，然后与氢结合形成水——一种产生能量的相互作用。

科学家们早就知道卟啉类化合物善于吸收和分解氧气:在人体中，这些以铁为基础的分子可以帮助我们将呼吸的氧气转化为水，在这个过程中释放能量，库克说。

但设计作为催化剂的人工卟啉结构一直是困难的，他补充道。制造这些化合物的过程通常是昂贵的，涉及很多步骤，最后产生的物质很少。

自组装解决了这些问题:库克的团队为每100克的发酵剂制造了79克的钴合金材料——比其他实验室在合成类似材料时所报告的不到1%的产量要高得多。此外，他的团队能够轻松地交换和测试不同长度的钌夹，以更好地调整化合物的电化学性质，并着眼于设计理想的催化剂。

第一个作者Oldacre说:“研究这个项目的基本化学性质是非常有益的，它对碳中和能量转换有很大的影响。”“使用自组装技术，我们能够在48小时内制造出更便宜的材料，而无需其他合成新化合物所需的困难、耗时的净化步骤。”