（图示结构使得一种碳基催化剂在酸性燃料电池中性能表现与金属催化剂相当。A：碳黑团聚体使得嵌入碳纳米管的石墨烯薄片之间保持一段距离，使氧气和电解液可以流动期间来加速氧化-还原反应。B：没有碳黑团聚体，石墨烯薄片堆积到一起，阻碍反应。图片来源Liming Dai）

碳基催化剂还比金属基材料有更少腐蚀性，而且被证明有耐久性。这些发现向制造低成本商业化催化剂迈进一大步，并可以降低使用PEM燃料电池生产的洁净能源的成本，PEM燃料电池是最常见的使用于汽车和发电站中的电池。这项研究最近发表在《Science Advances》杂志上。

“这绝对是将该领域向前推进一大步，” 来自凯斯西储大学的宏观分子科学与工程教授Liming Dai说，他同时也是本研究的主要作者，“这是实现商业化的重大突破。”

Dai的团队致力于寻找一种可在酸中使用的非金属催化剂，因为在PEM燃料电池中使用的标准电解液就是酸性电解液。PEM代表质子交换薄膜和高分子电解质薄膜，这两个名称对这类电池是同等的含义。

新型催化剂的关键在于合理设计的孔装结构，Dai说道。研究者们把单原子层厚度的掺杂氮的石墨烯薄片，与碳纳米管及碳黑颗粒混合在溶液中，使用冷冻干燥将混合物制备成复合薄片并硬化。

石墨烯提供了庞大的表面积来加速化学反应，纳米管提高电导率，碳黑分离石墨烯薄片来使电解液和氧气流动，这极大提高了性能和效率。研究者们发现如果让复合薄片自我排序成紧密堆积结构，层间很小空间之后，这些优势就会丧失。

燃料电池是通过移动燃料材料的电子，来将化学能转换为电能，燃料包括在正极的氢气等。这个过程会产生电流。

产生的氢离子会被电解液携带通过薄膜到负极，负极发生氧气的还原反应。氧分子分解并被额外的电子还原，再结合氢离子后生成水，而水是反应的唯一副产品。

测试显示，孔状催化剂的性能表现更好，而且比铁基催化剂的工艺更加有耐久性。Dai的实验室将会继续优化材料和结构，并研究应用非金属催化剂到更多清洁能源的领域。

新材料在线编译整理——翻译Gary