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

然而我們?nèi)找嬖鲩L的能源需求與傳統(tǒng)化石燃料對人類健康、能源安全和環(huán)境保護(hù)來說，是非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。據(jù)估計，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)對這些挑戰(zhàn)。

燃料電池通常使用的是昂貴的鉑電極，因此無機(jī)材料電極或許是一個很實(shí)惠的能量安全解決方案。這種燃料電池通過氧化反應(yīng)，將燃料轉(zhuǎn)化成水來得到電能，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產(chǎn)生電流向外做功，在電子與氫離子和氧氣反應(yīng)時，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，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。不過很可惜，由于鉑昂貴的價格及在自然中有限的儲量，使用鉑電極催化反應(yīng)的電池占據(jù)不了多大的市場份額。

使用鉑電極的燃料電池是在阿波羅計劃中被研發(fā)出來的，自其誕生以來，研究人員一直嘗試制備出鉑合金催化劑，鉑與廉價金屬的合金。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可靠的大范圍的能量來源，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的“承諾”都異常的昂貴。

我們之前曾報道了基于氮摻雜碳納米管的低成本無機(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能電池的電極，或是儲能電容器，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，有害排放會越來越少，對鉑金屬資源的依賴也會越來越小。這些將在不久的將來深刻地影響我們的生活。