全球能源消費(fèi)正以驚人的速度增長(zhǎng)。其中三個(gè)主要原因是：經(jīng)濟(jì)的快速擴(kuò)張、人口增長(zhǎng)和世界各地對(duì)能源的愈發(fā)依賴。

然而我們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的能源需求與傳統(tǒng)化石燃料對(duì)人類(lèi)健康、能源安全和環(huán)境保護(hù)來(lái)說(shuō)，是非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。據(jù)估計(jì)，到2050年全球的能源供應(yīng)將翻一番，因此我們急需研發(fā)出新能源以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

燃料電池通常使用的是昂貴的鉑電極，因此無(wú)機(jī)材料電極或許是一個(gè)很實(shí)惠的能量安全解決方案。這種燃料電池通過(guò)氧化反應(yīng)，將燃料轉(zhuǎn)化成水來(lái)得到電能，可以提供可靠的清潔能源。

氫氣可以作為燃料使用。首先，氫原子釋放電子得到電子和氫離子。然后電子向正極流動(dòng)產(chǎn)生電流向外做功，在電子與氫離子和氧氣反應(yīng)時(shí)，水是唯一的產(chǎn)物。

這一技術(shù)具有極高的能量轉(zhuǎn)換效率，幾乎不產(chǎn)生任何污染，并且有大規(guī)模應(yīng)用的可能。不過(guò)，反應(yīng)中至關(guān)重要的一步，氧氣的還原反應(yīng)，需要催化劑催化—通常使用的都是鉑電極。不過(guò)很可惜，由于鉑昂貴的價(jià)格及在自然中有限的儲(chǔ)量，使用鉑電極催化反應(yīng)的電池占據(jù)不了多大的市場(chǎng)份額。

使用鉑電極的燃料電池是在阿波羅計(jì)劃中被研發(fā)出來(lái)的，自其誕生以來(lái)，研究人員一直嘗試制備出鉑合金催化劑，鉑與廉價(jià)金屬的合金。盡管這種合金催化劑中的鉑含量不算高，但鉑金屬的產(chǎn)量還是滿足不了大量生產(chǎn)的需要。為了讓燃料電池成為一個(gè)可靠的大范圍的能量來(lái)源，我們需要找到一種高效率、低成本、穩(wěn)定性好的電極。

鉑的高成本讓電極和愛(ài)的“承諾”都異常的昂貴。

我們之前曾報(bào)道了基于氮摻雜碳納米管的低成本無(wú)機(jī)催化劑，它在燃料電池中的表現(xiàn)比鉑更好。氮原子的吸電子能力很強(qiáng)，能更好的催化氧氣的還原反應(yīng)，提升了催化劑的催化性能。這種碳基催化劑能顯著地降低燃料電池的成本。不過(guò)可惜的是，這種催化劑在酸性環(huán)境的催化表現(xiàn)差強(qiáng)人意，然而大部分燃料電池的電解質(zhì)都是酸性的。

使用介孔碳復(fù)合材料能提高表面積，碳納米管能夠增強(qiáng)導(dǎo)電性，先前的研究表明我們的納米材料催化劑的性能能跟當(dāng)今最先進(jìn)的催化劑相當(dāng)，甚至穩(wěn)定性還略勝一籌。酸性環(huán)境下的碳基催化劑是一次成功的嘗試，能促進(jìn)可靠、耐用燃料電池的產(chǎn)業(yè)化。

除了燃料電池方面的應(yīng)用，這些碳基非金屬納米催化劑也能用作低成本太陽(yáng)能電池的電極，或是儲(chǔ)能電容器，也能應(yīng)用在水分離系統(tǒng)中，在水中產(chǎn)生燃料。碳基非金屬催化劑的廣泛應(yīng)用讓我們看到了燃料經(jīng)濟(jì)的良好前景，有害排放會(huì)越來(lái)越少，對(duì)鉑金屬資源的依賴也會(huì)越來(lái)越小。這些將在不久的將來(lái)深刻地影響我們的生活。