氢能作为全球能源转型的关键载体，其高效制备一直受限于贵金属催化剂的高昂成本。近日，俄罗斯科研团队在《Frontiers in Chemical Science and Engineering》发表研究，开发出基于壳聚糖复合物的杂化材料（HM）催化剂，在碱性析氢反应（HER）中展现出优于商用铂碳（Pt/C）的长期稳定性，为低成本氢能生产提供新思路。

从"贵金属依赖"到"生物基突破"：催化剂材料的范式转换
当前工业制氢主要依赖电解水技术，而铂（Pt）等贵金属催化剂的使用导致成本居高不下。壳聚糖作为一种天然高分子材料，具有生物相容性好、来源丰富的特点，但其催化活性较弱。该研究创新性地通过非平稳电解法，将壳聚糖与钴/镍盐在不锈钢表面"编织"成有机-无机杂化结构——想象一下，就像用分子级的"针线"将有机高分子与无机金属化合物缝合，形成兼具亲水性和稳定性的催化网络。

实验显示，这种杂化材料表面呈现多孔结构（接触角67°，亲水性良好），平均晶粒尺寸仅14纳米，相当于头发丝直径的万分之一。其介孔为主的孔道结构如同"微型高速公路"，加速电解液扩散，为析氢反应提供充足的活性位点。

性能对标Pt/C：289mV过电位下的"耐力赛冠军"
在1 mol·L⁻¹ NaOH电解液中，该催化剂表现出亮眼的电化学性能：新鲜制备的HM在-10 mA/cm²电流密度下过电位为289mV（过电位越低，催化效率越高），更值得关注的是其稳定性——经过4小时测试后，过电位反而降至210mV，并能在-100 mA/cm²高电流密度下持续稳定运行至少17小时，这一"越用越好用"的特性显著优于商用20% Pt/C催化剂。

Tafel斜率测试（反映反应动力学速度）显示，HM的析氢反应遵循Volmer-Heyrovsky机制，即水分子先在催化剂表面分解为氢原子（Volmer步骤），再结合为氢气（Heyrovsky步骤）。这种双路径协同效应，使其在大电流工况下仍保持高效运转，为工业级制氢提供了可行性。

从实验室到产业化：生物基催化剂的"降本密码"
传统Pt/C催化剂不仅价格昂贵（铂金属现价约270元/克），且长期使用易发生颗粒团聚导致活性衰减。而壳聚糖基杂化材料以可再生生物质为原料，通过非平稳电解法（阴阳极电流比2.0:1.65，30-40℃温和条件）制备，成本仅为Pt/C的1/20。研究团队指出，该材料的规模化生产可直接对接现有电解槽技术，无需大规模设备改造。

不过，该技术仍需突破规模化制备中的均匀性控制问题。正如论文中所述，杂化材料的晶粒尺寸分布（12-16nm）对催化性能影响显著，如何在工业生产中实现纳米级精度调控，将是下一步研究的重点。

氢能革命的"绿色引擎"？
随着全球"双碳"目标推进，氢能在交通、储能等领域的应用加速落地。此次壳聚糖基催化剂的突破，不仅为非贵金属催化材料开辟了新路径，更印证了生物高分子在能源转化领域的应用潜力。未来，若能进一步优化制备工艺、提升低温活性，这种"源于自然、用于绿色"的催化材料或将成为氢能产业链的关键"降本利器"。

来源: 化学工程前沿FCSE