利用嵌入活性纳米颗粒的人造碳纤维( 上图) 可以制成轻质柔软的结构材料( 下图) 。图片来源：加州大学河滨分校
燃料电池本有可能成为汽车、电脑和发电站的一种清洁高效的动力来源，但是高昂的生产成本却限制了它们的应用。这是因为常见燃料电池的关键组成部分——催化剂，是由贵金属铂制成的。
在今天发表于 Small 上的一篇文章中，加州大学河滨分校的研究人员描述了一种廉价高效的用于制造聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC ）的催化剂材料。聚合物电解质膜燃料电池是目前最有前途的燃料电池之一，它能将氢的化学能转化为电能来驱动汽车和电子产品。
这种由加州大学河滨分校开发的催化剂是由多孔碳纳米纤维制成的，而这种纳米碳纤维一般又是由储量相对丰富的金属（比如钴，它的价格比铂便宜100倍）制成的。这项研究是由加州大学河滨分校能源创新中心兼罗斯玛丽伯恩工程学院的温斯顿讲席教授David Kisailus领导的。
相比于传统的燃烧技术，燃料电池具有效率高、噪音小和排放低的优点，也因此受到了一些汽车制造商的青睐。而其中氢燃料电池的排放物更是只有水而已。
和普通电池一样，燃料电池也是一种将电解质夹在阴极和阳极之间的电化学装置。将氢燃料注入阳极后会被催化剂分解成两种粒子，分别为带正电荷的质子和带负电荷的电子。在带正电荷的氢离子和阳离子相结合形成水之前，这些通过外部电路传导的电子会在传导过程中为一些工作提供能量，比如给电动马达供电。
限制燃料电池应用的一个关键因素就是铂高昂的成本，而这种催化剂的替代材料的开发将成为燃料电池实现大规模应用的关键环节。
加州大学河滨分校的研究人员使用 “ 电纺” 的技术制造了一层薄如纸的碳纳米纤维，里面含有钴铁镍等金属离子。在加热过程中，这些离子形成了超细金属纳米粒子，将碳催化转化为高性能石墨碳。随后，金属纳米粒子和残余的非石墨碳被氧化，从而形成了一个多孔的、有用的金属氧化物纳米颗粒网络，而金属氧化纳米粒子就分散在多孔的石墨网络中。
Kisailus和他的团队通过与斯坦福大学科学家合作，确定了这种新材料与工业标准铂碳系统的表现平分秋色，但它的成本却比铂碳系统的成本要低得多。
加州大学河滨分校的研究人员开发了一种低成本、高效的催化剂材料，用于制造聚合物电解质膜(PEM) 燃料电池，这种燃料电池是最具潜力的燃料电池类型，可以为汽车和电子产品提供动力。
Kisailus说:“ 化学和纤维加工条件的结合是使这些材料具有高性能的关键。它们卓越的电化学特性主要归功于协同效应，而协同效应则来源于暴露活性位点的金属氧化物工程和三维分层多孔石墨结构。”
Kisailus还补充说到，催化纳米复合材料的另一个好处是，它的石墨纤维特性使它还具有一定的强度和耐用性，这将它不仅可以作为燃料电池催化剂，还可以作为一种结构部件。
他最后说到说:“ 制造高性能汽车的一个重大挑战是在不影响性能和安全性的前提下减轻汽车重量，这里所说的汽车重量既包括汽车车身的重量，还包括电池或燃料电池的额外重量。而我们制造的材料可以帮助汽车制造商将汽车发动机罩或底盘等结构部件转变为有助于提高汽车动力的功能部件。”
