全球能源消费正以令人担忧的速度加快。主要有三个原因：经济快速扩张、人口增长，以及世界各地对耗能电器的依赖不断增加。
不断增长的能源需求以及传统燃料对环境的影响，对人类健康、能源安全和环境保护构成了严峻挑战。据估计，到2050年，全球将 需要将能源供应增加一倍 ，因此开发新型能源以应对这一挑战至关重要。
燃料电池通常使用昂贵的铂电极，但非金属替代方案可能成为保障能源安全的经济实惠之选。燃料电池通过氧化燃料生成水来发电，提供清洁且可持续的能源。
氢可以用作燃料。首先，氢被分解为组成它的电子和质子。随后，电子流产生电能；之后，电子和质子与还原后的氧结合，形成水这一唯一副产品。
这项技术的能量转换效率很高，几乎不会造成污染，并且具有大规模应用的潜力。然而，燃料电池中产生还原氧的关键反应需要催化剂——传统上使用铂电极。遗憾的是，成本高昂且资源有限，使这种贵金属催化剂成为燃料电池进入大众市场的主要障碍。
自20世纪60年代以来，研究人员一直在开发由含铂合金制成的催化剂；当时，采用铂的燃料电池 被用于阿波罗登月任务 。这些合金催化剂的铂含量较低，但商业化大规模生产仍需要大量铂。要使燃料电池成为可行的大规模能源选择，我们需要其他高效、低成本且稳定的电极。
我们 此前发现 了一类新型低成本无金属催化剂，它以添加氮的碳纳米管为基础，在基础型燃料电池中的表现优于铂。其催化性能提升可归因于氮原子的电子接受能力，这有助于氧还原反应。这些碳基无金属催化剂有望大幅降低燃料电池技术商业化成本。遗憾的是，在酸性条件下——主流燃料电池的典型工作条件——它们往往效果较差。
通过采用多孔结构的碳复合材料来增大表面积，并利用纳米管增强导电性， 我们的最新研究 表明，我们的纳米材料能够像最先进的非贵金属催化剂一样高效地催化氧还原，而且稳定性更持久。这是首次成功尝试将碳基无金属催化剂用于酸性燃料电池，有望推动经济实惠且耐用的燃料电池实现商业化。
除了用于燃料电池，这些新型无金属碳纳米材料催化剂还可用作低成本太阳能电池的高效电极、用于储能的超级电容器，以及从水中制取燃料的水分解系统。因此，广泛使用碳基无金属催化剂将提高燃料经济性，减少有害排放，并降低对石油资源的依赖。这可能会对不久后的生活产生重大影响。
本文由 The Conversation合作发表。阅读 原文。
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作者：Liming Dai 是凯斯西储大学碳高级科学与工程中心（Case4Carbon）主任。
图片：一台风力涡轮机位于皮安萨诺村附近，该村在罗马以北90公里（60英里）。路透社/Max Rossi
