氢燃料电池把氢和氧变成电，唯一的产物是水。它们为一些公交车和汽车提供动力，也被考虑用作耗能巨大的数据中心的备用和主电源[1]。它们的弱点是成本，而成本的很大一部分是铂。2026年8月，研究人员报告了一种铂用量极少、寿命却长得多的催化剂设计[1]。下面讲讲背后的化学。
燃料电池内部
GCSE核心
燃料电池就像一块只要持续供应燃料就永远不会没电的电池。在常见的、使用酸性膜的质子交换膜（PEM）燃料电池中：
- 阳极（氧化）： H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
- 阴极（还原）： O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
- 总反应： 2H₂ + O₂ → 2H₂O
氢在阳极被氧化；H⁺离子穿过膜，而电子经外电路流动（即有用的电流）；氧在阴极被还原为水。催化剂颗粒（灰点）位于两个电极上。简化的PEM燃料电池。
快速检测
在氢燃料电池中，为什么电子必须经过外电路？
铂的问题
A-Level拓展
两个反应都需要催化剂才能足够快地进行，而阴极的氧反应尤其缓慢。铂是最好的实用催化剂，但稀少又昂贵。有两点让铂催化剂难以改进：
- 表面积：只有颗粒表面的原子能起催化作用，所以颗粒必须非常小（几纳米），才能充分利用每一克。
- 耐久性：当电池反复切换负载时，极小的颗粒容易溶解、团聚或脱落，催化剂因此慢慢失去活性。
2026年的设计做了什么
圣路易斯华盛顿大学武刚的团队与布鲁克海文和劳伦斯伯克利国家实验室、东北大学以及匹兹堡大学合作，同时解决了这两个问题[1]：
- 他们生长出小于5纳米的铂–钴金属间化合物纳米颗粒（一种有序合金，两种金属按规则的原子排列）[1]。
- 颗粒位于带有有序径向纳米通道的多孔空心碳球内，被固定在原处[1]。
- 加热到1000 °C使原子有序排列，同时不让颗粒团聚[1]。
- 铂载量低于每平方厘米四分之一毫克[1]。
- 催化剂在15万次苛刻的电压循环后仍保留85%的性能，估计相当于约2.5万小时的运行[1]。
该研究于2026年8月6日发表在《自然·纳米技术》上[1]。作者指出，在商业应用之前，仍需与产业伙伴进一步开发[1]。
学生常常混淆的区别
“少用铂”和“不用铂”是不同的策略。
为什么是数据中心？
据预测，到2030年数据中心将消耗美国约9%的电力，而2023年约为4%[1]。以氢为燃料的燃料电池可以在现场提供稳定、低排放的电力，但前提是电池价格合理且经久耐用。这就是为什么这项工作的重点是催化剂的耐久性，而不仅仅是它的活性。
考试式问题
写出酸性氢–氧燃料电池每个电极上反应的半反应式，并给出燃料电池与可充电电池相比的一个优点和一个缺点。 [4分]
显示范例答案与得分点
- 阳极: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ (1分)
- 阴极: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O (1分)
- 优点：唯一的产物是水／不需要长时间充电，只需补充燃料／只要供应燃料就能持续工作 (1分)
- 缺点：氢易燃且难以储存／大多数氢由化石燃料制得／铂等催化剂昂贵 (1分)
考官关注的重点: 在正确的电极上写出配平的半反应式（电荷和电子），然后各给出一个清晰的优点和缺点。
常见错误: 把电子写在错误的一侧：氧化释放电子（在产物一侧），还原消耗电子（在反应物一侧）。
燃料电池把氧化还原、催化剂和能源联系在一起，这是考官最爱组合的三个主题。我们的化学辅导一步步讲解半反应式。相关阅读：用光制取绿氢。
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参考资料与延伸阅读
- ScienceDaily: New fuel cell breakthrough could help power energy-hungry data centers (Aug 2026) — WashU、Pt–Co金属间化合物、载量、耐久性、《自然·纳米技术》、数据中心数据
- Cornell Chronicle: Nickel catalyst enables high-performance fuel cell free of precious metals (Mar 2026) — 碱性电池、碳包覆镍
- Wikipedia: Proton-exchange membrane fuel cell — 背景
最后审校日期:2026年10月5日。以上数据为已公布的典型数值,规则可能会发生变化。考试用语因考试大纲而异,请以你所在考试局的规定为准。
常见问题
氢燃料电池是如何工作的？
在阳极，氢被分成质子（H⁺）和电子。质子穿过一层膜；电子不能穿过，于是以电流的形式经外电路流动。在阴极，质子、电子和氧结合生成水。总反应为2H₂ + O₂ → 2H₂O。
燃料电池为什么需要铂？
两个电极反应本身都很慢，尤其是阴极的氧反应。铂是它们极好的催化剂，但稀少又昂贵，因此减少或替代铂是燃料电池研究的主要目标之一。
2026年8月的研究取得了什么成果？
圣路易斯华盛顿大学武刚领导的团队在带有径向纳米通道的空心碳球内制备了小于5纳米的铂–钴纳米颗粒。每平方厘米铂用量不到四分之一毫克，催化剂在15万次苛刻的电压循环后仍保留85%的性能，相当于估计约2.5万小时的使用。研究发表在《自然·纳米技术》上。
燃料电池能完全不用贵金属吗？
在电解质呈碱性而非酸性的碱性燃料电池中，镍等更便宜的金属可以使用。康奈尔大学的研究人员报告了一种用于碱性电池氢反应的碳包覆镍催化剂。每种设计都在耐久性和性能上有所取舍。
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关于作者
Sudershan Soni
Mostak Services 的创始人兼首席导师——拥有硕士学位的数学、科学、计算机科学与 STEM 导师,拥有超过20年的职业经验,通过在线授课为全球从 11+ 和 GCSE 到 A-Level 及更高阶段的学生提供教学。
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