氢能作为零碳能源的重要选项，其电解制备过程长期被铂（Pt）等贵金属催化剂的高昂成本制约。俄罗斯Platov南俄州立理工大学团队近日在《Frontiers in Chemical Science and Engineering》发表研究，通过"分子编织"技术将壳聚糖与钴镍化合物复合，开发出一种杂化材料催化剂，在碱性电解水中实现17小时稳定运行，成本仅为商用铂碳（Pt/C）催化剂的1/5。

分子级"脚手架"：壳聚糖如何搭建高效催化平台？
传统电解水催化剂常面临两大难题：贵金属成本高，或非贵金属易团聚失活。该研究另辟蹊径，以自然界储量丰富的壳聚糖为"骨架"——这种从虾蟹壳中提取的生物高分子，其分子链上的氨基和羟基如同"微型抓手"，能牢牢固定钴、镍金属离子，形成有机-无机杂化结构。

研究团队采用非平稳电解法实现材料的原位生长：在30-40℃的温和条件下，通过不对称交流电（阴阳极电流比2.0:1.65）将金属离子与壳聚糖"编织"在不锈钢表面。这种方法省去传统催化剂制备中必需的聚合物黏合剂，避免了"催化剂被胶水堵住活性位点"的问题。电镜图像显示，最终形成的催化层表面多孔，14纳米的晶粒均匀分布，如同在金属基底上铺上了一层"分子海绵"，既保证电解液快速渗透，又让催化反应高效进行。

从实验室数据到工业场景：17小时稳定性测试意味着什么？
在1 mol·L⁻¹氢氧化钠电解液中，这种杂化材料展现出"越用越好用"的特性：初始在-10 mA/cm²电流密度下过电位为289mV（过电位越低代表催化效率越高），经过4小时"磨合"后降至210mV，随后在-100 mA/cm²的高电流密度下持续运行17小时性能无衰减。对比实验显示，商用20% Pt/C催化剂在相同条件下8小时后活性便开始下降。

"这相当于让催化反应从'短跑'变成了'马拉松'。"研究团队解释，壳聚糖的三维网络结构抑制了金属颗粒的团聚，而介孔通道（孔径分布集中在2-50纳米）则像"快递专线"，持续输送反应原料。X射线光电子能谱分析进一步证实，反应过程中催化剂表面会形成更活跃的羟基氧化镍物种，这正是其"活化后性能提升"的秘密。

成本降至五分之一：氢能产业化的"最后一公里"
当前电解水制氢成本中，催化剂占比高达30%。商用Pt/C催化剂每克成本约200元，而该杂化材料以壳聚糖和普通金属盐为原料，通过简易电解法制备，吨级生产成本可控制在40元/克以下。更重要的是，其无黏合剂的设计可直接集成到现有电解槽，无需改造生产设备。

不过，技术落地仍需突破规模化制备的均匀性瓶颈。实验中发现，当催化层面积超过100 cm²时，边缘区域的晶粒尺寸会出现±2纳米的波动，影响整体性能。研究团队计划下一步通过优化电解槽流场设计解决这一问题。

生物基催化剂：打开氢能平价之门的钥匙？
全球氢能委员会数据显示，要实现2050年氢能占全球能源18%的目标，电解槽成本需降低60%。壳聚糖基催化剂的突破，为非贵金属催化材料提供了新范式——用自然界的"生物积木"替代稀缺资源。正如论文通讯作者A. V. Khramenkova所言："未来的能源材料，或许就藏在我们日常丢弃的虾壳蟹壳里。"

来源: 化学工程前沿FCSE