近半个世纪以来，科学家们一直试图取代燃料电池中的贵金属催化剂。现在，凯斯西储大学的研究人员首次证明，廉价的无金属催化剂与昂贵的金属催化剂一样，可以加速酸性燃料电池中的氧还原反应。

碳基催化剂也比金属基材料腐蚀少，并且已证明更耐用。

该研究结果是制造商业上可获得的低成本催化剂的主要步骤，这反过来可以降低从PEM燃料电池产生清洁能源的成本 - 这是在汽车和固定发电厂中测试和使用的最常见的电池。该研究最近在线发表在Science Advances杂志上。

“这绝对应该推动这一领域向前发展，”凯斯西储大学的高分子科学与工程学院的Kent Hale Smith教授，该研究的高级作者Liming Dai说。“这是商业化的重大突破。”

戴先生曾任首席研究员江兰水，他是CWRU博士后研究员，现为北京北京航空航天大学材料科学与工程系教授。博士生王敏，做了一些测试; 和博士后研究员Fen Du，他们制作了这些材料。这项工作建立在戴实验室早期开发碳基催化剂的基础上，该催化剂在碱性燃料电池中的表现明显优于铂。

该集团采用非金属催化剂在酸中进行，因为燃料电池PEM电池中的标准载体使用酸性电解质。PEM代表质子交换膜和聚合物电解质膜，它们是这种类型电池的可互换名称。

戴说，新催化剂的关键是其合理设计的多孔结构。研究人员将氮掺杂石墨烯(单原子厚)与碳纳米管和炭黑颗粒混合在溶液中，然后将其冷冻干燥成复合板并硬化。

石墨烯提供了巨大的表面积以加速化学反应，纳米管提高了导电性，并且炭黑将石墨烯片分离以使电解质和氧气自由流动，这大大提高了性能和效率。研究人员发现，当它们允许复合板材以紧密的堆叠方式排列，层间间隔很小时，这些优点就会丢失。

燃料电池通过从电池的阳极或正电极处的燃料(例如氢)中去除电子而将化学能转换为电能。这会产生电流。

产生的氢离子由电解质通过膜传递到阴极或负电极，在那里发生氧还原反应。氧分子通过添加电子而分裂和还原，并与氢离子结合形成水和热 - 这是唯一的副产物。

测试表明多孔催化剂比现有技术的非贵金属铁基催化剂表现更好并且更耐用。戴的实验室继续对材料和结构进行微调，并研究在更多清洁能源领域使用非金属催化剂。