当你想象未来的氢能源车时，是否担心过“加氢气”的成本？事实上，氢能技术推广的一大阻碍，就藏在看不见的催化剂里——它们依赖铂（Pt）、铱（Ir）等贵金属，价格高、储量少，占燃料电池成本的40%以上。最近，哥伦比亚大学与清华大学团队在《Frontiers in Energy》上发表的研究，为这一难题提供了新思路：向自然界的“生物工程师”——酶学习，用“土元素”造“高效芯”，让氢能催化剂不再“烧钱”。

氢能的“贵金属困局”：离了铂，反应就“卡壳”？

氢能被视为“零碳未来”的核心能源，但从水分解制氢到燃料电池发电，关键反应（如氢析出、氧还原）都需要高效催化剂。目前，这些催化剂几乎被铂、铱“垄断”——它们像“反应加速器”，但全球储量有限（铂年产量仅约200吨），价格昂贵（铂约500元/克），成了氢能普及的“拦路虎”。

酶的“隐藏技能”：用“土元素”造“全能工具”

自然界的酶，或许是破局的关键。亿万年进化中，生物早已掌握“用铁、镍、锰等地球丰度元素实现高效催化”的绝技。例如：

• 氢酶：能在常温下催化氢气生成与分解，活性堪比铂；
• 细胞色素c氧化酶：在生物呼吸中催化氧气变水，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“超能力”源于两点：一是金属原子利用率接近100%（传统纳米催化剂90%的金属“躺平”不工作）；二是通过精确的空间结构和电子调控，在温和条件下完成复杂反应。

学酶“功能”，不用“复制结构”

直接用酶当催化剂并不现实——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“硬核”条件。因此，科学家选择“功能模仿”：保留酶的核心催化逻辑（如质子传递、电子转移），用人工材料实现类似效果。

• 氢反应（制氢/氢发电）：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，甚至被用在首个无贵金属氢燃料电池中。
• 氧还原（燃料电池核心）：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，性能直逼铂基催化剂。
• 析氧（电解水制氢）：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，有望用于更经济的阴离子交换膜电解水技术。

从实验室到量产：还有哪些“关卡”？

尽管进展喜人，酶模拟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，人工材料易“散架”，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，需开发新膜与酶模拟催化剂“兼容”；
• 放大生产：实验室合成的纳米级催化剂，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