随着大气中二氧化碳含量达到历史新高，寻找替代化石燃料的清洁能源变得越来越紧迫。研究人员面临的一个障碍是，当前的燃料电池技术依赖于使用铂等昂贵的金属催化剂将氢转化为能量。然而，来自弗吉尼亚大学艺术与科学研究生院的一个团队已经发现了一种有机分子，可以作为传统金属催化剂的有效且成本较低的替代品。

燃料电池使电动汽车以及工业和住宅发电机成为可能，并且需要存储风能或太阳能产生的能量，使用铂等金属来触发化学反应，将氢气等燃料源分解成质子和电子，然后加以利用作为电力。到目前为止，稀有金属催化剂的有机替代品并不被认为是实用的，因为催化过程会导致它们分解成不再有用的部件。然而，在《美国化学会杂志》上发表的一篇论文中，化学副教授查尔斯·马尚 (Charles Machan) 和迈克尔·希林斯基 (Michael Hilinski) 以及博士生。学生艾玛·库克和·戴维斯发现了一种由碳、氢、氮和氟组成的有机分子，有可能成为实际的替代品。

马尚说，这种分子不仅可以引发氧气的还原——燃料电池内部发生的反应;它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是稳定的，并且它们继续实现与过渡金属催化剂水平相匹配的活性，”马尚说。

这一发现在寻找高效燃料电池方面迈出了重要一步，该电池使用更可持续、生产成本更低的材料，并可能在未来五到十年内开发出下一代燃料电池，但该团队的调查结果仅仅是一个开始。

“这种分子本身可能无法制成燃料电池，”马尚说。 “这一发现表明，可能存在碳基催化材料，如果你用某些化学基团修饰它们，你就有望将它们变成氧还原反应的出色催化剂。最终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专注于有机化学，他强调了研究团队跨学科性质的重要性。 “我们用作催化剂的这种分子在我的实验室中已有历史，但我们一直在研究它在化学反应中的用途，这些化学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，”希林斯基说。 “如果没有 Charlie Machan 的专业知识，我认为我们不会与燃料电池化学建立联系。”

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，也用于造纸和废水处理。

马尚说：“制造过氧化氢的过程对环境不友好，而且非常耗能。它需要对甲烷进行高温蒸汽重整，以释放用于生成它的氢气。”

他的团队的发现还可以改进该过程的催化成分，这可能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，这一发现以及导致这一发现的合作可能产生的影响远远超出了能源存储的范畴。 “总的来说，这项研究最令人兴奋的事情之一是，通过给催化剂通电，我们改变了它的反应方式。这是意想不到的事情，也可能对药物合成有用，我的研究小组渴望探索这一点。”

马尚的研究小组专注于分子电化学，他也将这一发现归功于研究小组的跨学科性质。

“如果没有迈克·希林斯基(Mike Hilinski)团队在制造能够进行必要反应的稳定有机分子方面的专业知识，这项工作就不可能实现。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，”马尚说。