在制造高效燃料電池方面，尋找好的催化劑已經(jīng)成為一大核心議題。

強(qiáng)大的催化劑，能夠帶來更快、更高效的化學(xué)反應(yīng)，從而增加能量輸出。目前的燃料電池，通常依賴于鉑基催化劑，但美國大學(xué)的科學(xué)家們認(rèn)為，菠菜（由于富含營養(yǎng)素而被認(rèn)為是一種「超級(jí)食品」）能夠成為一種理想的可再生富碳催化劑，相關(guān)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)已經(jīng)通過論文發(fā)表[注1]。對于這一結(jié)論，大力水手絕對會(huì)拍手叫好。

菠菜在科學(xué)領(lǐng)域有著悠久的貢獻(xiàn)歷史。早在約40年前，就有人希望利用菠菜強(qiáng)大的光合能力與電化學(xué)特性。菠菜營養(yǎng)豐富、成本低廉、易于生長，而且富含鐵與氮。多年前，作為一位剛剛?cè)胄械目茖W(xué)家，我還聽過物理學(xué)家Elias Greenbaum在菠菜研究會(huì)議上的主題演講，他對菠菜葉中基于蛋白質(zhì)的“反應(yīng)中心”很感興趣，希望探索光合作用的基本機(jī)制（即植物將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣與碳水化合物的過程）。

菠菜中有兩類反應(yīng)中心。其一為光系統(tǒng)1（PS1），負(fù)責(zé)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖；其二為光系統(tǒng)2（PS2），負(fù)責(zé)將水分解為氧氣。PS1引起了科學(xué)家們的高度關(guān)注，它就像是一個(gè)微型光敏電池，能夠吸收陽光中的能量，并以近100%的效率發(fā)射出電子。PS1的效率之高，足以在幾分之一秒內(nèi)產(chǎn)生光感應(yīng)電流。

當(dāng)然，其功率并不算大，但只是讓小分子細(xì)胞器維持一整天的運(yùn)轉(zhuǎn)。物理學(xué)家Greenbaum的工作，是希望打造人造視網(wǎng)膜，使用光敏PS1代替受損的視網(wǎng)膜細(xì)胞，借此治療患有退化性眼疾的病人。由于PS1可以調(diào)整，其功能類似于二極管，只能在一個(gè)方向上傳遞電流（而無法反向傳遞電流）。因此，如果能夠通過碳納米管制分子大小的導(dǎo)線將PS1連接起來，即可構(gòu)建基礎(chǔ)性的計(jì)算機(jī)處理器邏輯門。

Greenbaum只是眾多對菠菜抱有興趣的研究者之一。2012年，范德比爾特大學(xué)科學(xué)家就將PS1與硅結(jié)合使用，通過將蛋白質(zhì)中心沉積到金屬基底上，將電流水平提高至近1000倍，電壓也同時(shí)有所提升。他們的目標(biāo)，是最終打造出“生物混合型”太陽能電池，使其在電壓與電流水平等方面足以與標(biāo)準(zhǔn)硅太陽能電池相抗衡。

除了強(qiáng)大的反應(yīng)中心之外，菠菜還擁有其他有趣的特性。例如，中國研究人員在2014年發(fā)表的一篇論文[注2]提到，他們從菠菜中收集活性炭作為電容器電極的實(shí)驗(yàn)。去年12月，另一組中國科學(xué)家則探討了將基于菠菜的納米復(fù)合材料作為光催化劑的潛力[注3]。

菠菜還展現(xiàn)出成為燃料電池催化劑的潛質(zhì)。Greenbaum早期曾申請了使用菠菜作為催化劑的專利，即將金屬鉑撒到PS1上，以產(chǎn)生純氫氣，并為燃料電池供電。最新論文作者認(rèn)為，葉綠素有望成為燃料電函中氧化還原反應(yīng)的一種低毒性、低成本催化劑。這篇中國研究人員的論文采取了不同于Greenbaum的方法，使用菠菜制成了富含碳的納米片。

美國大學(xué)的科學(xué)家們則從常見的廚房攪拌器起步，將新鮮洗凈的菠菜葉裝在其中并打成泥。將得到的菜汁進(jìn)行冷凍干燥之后，他們使用研缽及研杵將其研磨成細(xì)粉。接下來，我們向其中添加多種鹽（氯化鈉、氯化鉀）及少量三聚氰胺，以提高氮含量。美國大學(xué)化學(xué)教授ShouZhong Zou在采訪中表示，“我們的實(shí)驗(yàn)方法需要向原料中添加更多的氮。盡管菠菜本身就擁有豐富的氮，但在制備過程中，一部分氮會(huì)發(fā)生流失。”

鹽，則是在最終納米片中生成孔狀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，這些孔狀結(jié)構(gòu)則有利于優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)的表面積。Zou解釋道，“雖然我們將其稱為納米片，但這些片狀產(chǎn)物相互堆疊時(shí)，會(huì)形成一種非常堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。我們需要保證其中包含足夠多的孔，保證所有活性部位都能參與反應(yīng)。”

最后，美國大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在900攝氏度溫度下進(jìn)行兩輪熱分解，借此產(chǎn)出富含碳的納米片。

他們發(fā)現(xiàn)，菠菜衍生出的催化劑在效率上超過了鉑基催化劑。Zou解釋道，“這項(xiàng)工作表明，自然界的氧化還原反應(yīng)，足以制造可持續(xù)的催化劑。我們的測試方法能夠從菠菜中產(chǎn)出高活性碳基催化劑。除了菠菜本身的可再生屬性之外，其在活性與穩(wěn)定性方面也都優(yōu)于商用鉑基催化劑。”

很明顯，這一切僅僅是原理層面的證明，在理想實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下能夠良好起效的方法，并不一定可以輕松被轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。下一步，需要建立一套完整的原型，在實(shí)際氫燃料電池中使用基于菠菜的催化劑。Zou表示，他們需要與其他實(shí)驗(yàn)室合作，探索菠菜能否在電動(dòng)汽車的金屬空氣電池中充當(dāng)良好催化劑。

[注1]論文《Spinach-Derived Porous Carbon Nanosheets as High-Performance Catalysts for Oxygen Reduction Reaction（菠菜衍生的多孔碳納米片作為氧還原反應(yīng)的高性能催化劑）》獲取方式：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.0c02673

[注2]論文《Hierarchical porous activated carbon produced from spinach leaves as an electrode material for an electric double layer capacitor(以菠菜葉為原料制備的分級(jí)多孔活性炭，作為雙電層電容器的電極材料)》獲取方式:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1872580514601359

[注3]論文《Bio-inspired Spinach-leaf-based Au/ZnO Nanocomposites as Photocatalyst（以菠菜葉為基礎(chǔ)的納米復(fù)合材料作為光催化劑的潛力）》獲取方式：https://link.springer.com/article/10.1007/s42235-019-0120-6