哥倫比亞大學莊澤超博士和清華大學王定勝教授在Frontiers in Energy期刊上發表了題為“Advancing hydrogen energy through enzyme-mimetic electrocatalysis”的前瞻性文章。文章探討了酶模擬電催化劑在關鍵反應中的具體示例，包括析氫反應（HER）、氫氧化反應（HOR）、氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER），重點介紹它們的局限性并展示功能方法如何解決關鍵技術挑戰。
文章主要內容
能源載體演變推動人類文明進步，氫能作為零碳能源載體，對清潔能源未來至關重要。當前質子交換膜燃料電池和水電解槽依賴鉑、銥氧化物等稀缺貴金屬電催化劑，堿性電解雖可避開貴金屬，但受可再生能源間歇性影響。材料科學領域雖努力應對，但多依賴試錯法，缺乏高層設計策略。天然酶系統為解決這些問題提供了藍圖。
1 析氫和氧化反應
對于氫電極反應，特別是氫燃料電池中的陽極HOR和水電解槽中的陰極HER，在熱力學平衡電位下實現可逆性或催化，對于Pt以外的催化劑來說仍然是一個重大挑戰。氫化酶在H/H+2相互轉化過程中表現出可逆性。當負載在導電碳材料上時，這些酶模擬復合物表現出對 HER 的活性和穩定的電催化劑。它們在酸性條件下表現出可逆行為，并在與質子交換膜耦合時證明在器件級別可操作，這些電催化劑成功地集成到第一個不含Pt金屬的氫燃料電池中。
圖 1 用于電催化劑設計的天然酶活性位點的結構
2 氧還原反應
ORR是燃料電池技術的主要瓶頸，與HOR的陽極相比，需要的Pt負載量高出4倍。碳納米管上共價連接的鈷卟啉陣列顯示出對四電子ORR的選擇性有所提高，卟啉基團是金屬和氮摻雜碳（M-N-C）材料中ORR的活性位點，是目前酸性環境中最有前途的不含貴金屬的ORR電催化劑之一。研究證實，即使在惰性氣氛中經過高達1000℃的熱解，卟啉基團仍能保存下來。這些卟啉基團的超強穩定性是它們存活并融入M-N-C材料的關鍵。
3 析氧反應
在水電解中，陽極OER限制了整體效率并阻礙了更廣泛的工業應用。相應的酶系統，通常在其活性位點具有多核簇。一種類似于Mn4CaOx簇的合成物在非晶態MnOx相中加入了鈣，已顯示出很高的活性。基于磷酸鹽的Co-phosphate材料的特點也是在無定形結構中具有分子圖案。催化性能的提高主要源于分子圖案的存在，而不僅僅是活性表面積的增加。這些多核分子結構提供了三維活性位點，底物可在此結合，并通過受控的相互作用和受控的質子耦合電子轉移過程進行活化。
4 邁向系統創新
將酶的特性應用于氫能技術具有重要意義，例如通過改進燃料電池和水電解槽催化劑層的三相邊界、構建互穿網絡等方法，可以顯著提升系統性能。在這些設計中，導電碳材料促進電子傳輸，而質子交換膜（如Nafion）則負責質子的高效運輸，這些功能在天然酶中由鐵硫簇和氫鍵連接的氨基酸網絡來完成（圖2）。
圖2 細胞色素c氧化酶中的氧還原反應機制
此外，模擬酶的另一個有前景的方向是復制生物系統中特定的調節和維護機制，以此確保高效且穩定的運行。目前，模擬酶電催化劑仍處于初步階段，其廣泛應用需要基礎研究與工程設計緊密合作，將傳統電催化理念與酶模擬優勢相結合，對新材料進行重新設計和優化，以滿足不同體系對整體性能的要求。這種整合過程還需針對成熟技術（如PEM燃料電池），開發更適配的新型聚合物電解質膜和電極離聚物，從而充分釋放酶模擬催化劑的潛力。
文章信息
Advancing hydrogen energy through enzyme-mimetic electrocatalysis
Author information:
1. Department of Chemical Engineering, Columbia University, New York, NY 10027, USA
Cite this article:
Zechao Zhuang, Dingsheng Wang. Advancing hydrogen energy through enzyme-mimetic electrocatalysis. Front. Energy,
