任何购买过珠宝的人都可以证明，铂金很贵。这对消费者来说很困难，但对一种前景光明的汽车电源——氢燃料电池——也是一个严重的障碍。氢燃料电池依赖铂。
现在，普林斯顿大学化学和生物工程学教授布鲁斯·科尔(Bruce Koel)领导的一个研究小组为寻找便宜得多的替代品打开了一扇门。在4月4日发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一篇论文中，研究人员报告说，一种以铪为基础的化合物的效率约为铂相关材料的60%，但成本仅为后者的五分之一左右。
“我们希望找到一种更丰富、更廉价的催化剂，”HiT Nano Inc.首席科学家杨晓芳(音)说。她是普林斯顿大学的客座研究员，与科尔共同参与了这个项目。
从左起，研究团队包括化学与生物工程教授Bruce Koel、客座研究员杨晓芳、博士后研究员赵方、普林斯顿材料研究所成像与分析中心主任、高级研究学者姚楠。
燃料电池的工作原理是将储存在氢原子中的能量直接转化为电能。美国宇航局长期以来一直使用燃料电池为卫星和其他太空任务提供动力。今天，它们开始被用于电动汽车和公共汽车。
氢是最简单和最丰富的元素，不仅在这个星球上，而且在已知的宇宙中。
在最基本的层面上，燃料电池通过将氢分解成质子和电子两部分来发电。质子通过膜与氧结合形成水。带负电荷的电子流向燃料电池中带正电荷的极。这种电子流是燃料电池产生的电流，可以为发动机或其他电子设备提供动力。这种分裂需要铂等材料来催化反应。
催化剂也用于产生氢气的反应，氢气作为燃料电池的燃料。在最理想的、与化石燃料无关的情况下，可再生电能可用于在催化剂存在下分裂水分子(两个氢原子和一个氧原子)。这个反应把水分解成氧气和氢气。催化剂的效率越高，分解水所需的能量就越少。
一些先进的燃料电池，称为再生燃料电池，结合了这两种反应。但目前大多数燃料电池都依赖于由独立系统产生的氢，并将其作为燃料出售。
目前，两种反应的最佳催化剂都是铂族金属。研究人员认为这不会改变，因为“铂几乎是完美的，”科尔说。与铂族金属，电化学反应，以抽出氢是快速和有效的，加上金属可以承受的苛刻的酸性条件，目前需要这样的反应。
然而，问题在于铂金既稀有又昂贵。“你真的无法想象用基于铂的燃料电池取代交通基础设施，”科尔说。“在这种规模下使用太稀有、太昂贵了。”
对于这样的应用，铂的完美可能并不需要。研究人员发现，氢氧化铪是一种很好的替代品，它经过氮等离子体(等离子体是一种电离气体，是在荧光灯和太阳中发现的一种物质状态)处理，将氮原子纳入材料中。
在此之前，许多材料由于不导电而被忽视。然而，研究人员发现，用氮等离子体处理氧化铪会形成一层薄膜，这种薄膜可以作为一种高活性催化剂，在强酸条件下也能存活。
虽然这种以铪为基础的薄膜的效率只有铂的三分之二左右，但铪要比铂便宜得多。研究人员计划下一步测试锆，因为锆更便宜。
尽管它们可能在燃料电池中有用，杨和科尔认为，这类材料的最大前景是在系统中使用催化剂电化学分解水，产生氢用作燃料。
杨说:“未来的可再生经济在很大程度上取决于我们如何有效地把水分解成氢气。”“这一步非常重要。”
但杨和科尔强调，他们的发现不会导致新技术的涌现，即使是在不久的将来。目前，制作这种材料的过程非常复杂，而且仅限于实验室。虽然他们已经确定了这种薄膜的性能，但人们总是要考虑大规模生产这种材料所需的工程技术。相反，这一发现为进一步探索可能取代铂的材料打开了大门。
“我们仍然不明白为什么这种特殊的材料如此特殊，但我们对我们测量到的性能很有信心，”科尔说。“材料很复杂，所以我们有很多工作要做。”
除了科尔和杨，论文的作者还包括:普林斯顿大学物理学博士后研究员方招;普林斯顿大学机械与航天工程教授朱一光;普林斯顿大学物理学教授克里斯托弗·塔利(Christopher Tully);副研究员雷切尔·塞林斯基(Rachel Selinsky)和前普林斯顿大学化学与生物工程研究生、现为西北大学博士后研究员的朱晨;普林斯顿材料科学技术研究所的研究员姚楠和叶耀文。美国国家科学基金会(National Science Foundation)、西蒙斯基金会(Simons Foundation)、约翰邓普顿基金会(John Templeton Foundation)和普林斯顿复杂材料中心(Princeton Center for Complex Materials)为该项目提供了部分支持。