你是否想过，未来的氢能源车可能不再依赖“贵如黄金”的铂催化剂？这一愿景的关键，藏在自然界的“生物工程师”——酶的身上。最近，来自哥伦比亚大学和清华大学的研究团队在《Frontiers in Energy》上发表展望文章，提出通过“模仿酶的功能”设计新型电催化剂，有望破解氢能技术中“依赖贵金属”的核心难题。

氢能的“卡脖子”难题：离了铂，反应就“跑不动”？

氢能被视为“零碳未来”的关键能源载体，但从水分解制氢到燃料电池发电，核心步骤（如氢析出、氧还原等反应）都需要高效的电催化剂。目前，这些催化剂几乎被铂（Pt）、铱（Ir）等贵金属“垄断”——它们储量少、价格高（铂约500元/克），占燃料电池成本的40%以上，成了氢能普及的“拦路虎”。

酶的“超能力”：用“土元素”造“高效工具”

自然界的酶，或许能给出答案。亿万年的进化中，生物为了生存，早已开发出“用地球丰度元素（如铁、镍、锰）实现高效催化”的绝技。例如：

• 氢酶：能在温和条件下催化氢气的生成与分解，活性堪比铂；
• 细胞色素c氧化酶：在生物呼吸中催化氧还原生成水，效率极高；
• 水氧化酶：在光合作用中分解水释放氧气，是天然的“光解水专家”。

这些酶的共同点是：用非贵金属（铁、镍、锰等）作活性中心，通过精确的空间结构和电子调控，实现了“低能耗、高选择性”的催化。更关键的是，它们的金属原子利用率接近100%——传统纳米颗粒催化剂中，90%的金属原子“藏”在内部，根本不参与反应。

学酶“功能”，不用“照搬结构”

直接把酶“搬”到工业中并不现实——酶在温和的生理环境中工作，而工业反应常需要强酸、高电压等“粗暴”条件。因此，科学家选择“功能模仿”：保留酶的核心催化逻辑（如电子传递、质子转移），用人工材料实现类似效果。

• 氢反应（HER/HOR）：模仿氢酶的“质子中继”机制，科学家设计了含胺基的镍配合物。胺基像“质子快递员”，帮助氢分子快速分解或生成，让催化剂在酸性条件下实现了接近铂的可逆催化性能，甚至被用在全球首个无贵金属氢燃料电池中。
• 氧还原（ORR）：细胞色素c氧化酶的“铁-铜活性中心”启发了卟啉类催化剂。通过将钴卟啉共价连接在碳纳米管上，科学家开发出能高效催化四电子氧还原（直接生成水，而非副产物双氧水）的材料，性能接近铂基催化剂。
• 析氧（OER）：模仿光合作用中水氧化酶的“锰钙簇”结构，科学家制备了含锰钙的无定形氧化物。这种材料在中性条件下表现出色，有望用于阴离子交换膜电解水，降低制氢成本。

从“实验室”到“产业化”：还有哪些坎？

尽管进展喜人，酶模拟电催化剂的大规模应用仍需突破三大挑战：

• 稳定性：在强酸或高电压环境中，人工材料的结构易被破坏，寿命不如铂基催化剂；
• 系统适配：现有质子交换膜（如Nafion）专为铂设计，需开发新膜材料与酶模拟催化剂“兼容”；
• 放大生产：实验室合成的催化剂多为纳米级，大规模制备时如何保持性能均一性仍是难题。

论文作者表示，未来需结合合成化学与工程设计，开发“自修复”催化剂（类似生物的自我维护机制），并优化膜电极界面，让这些“仿生催化剂”真正走进氢能设备。

从“向自然学习”到“为自然所用”，酶模拟电催化剂或许正为氢能技术打开一扇新门——用“土元素”造“高效芯”，让氢能源车不再“烧钱”。

来源: FIE能源前沿期刊