在制造高效燃料電池方面，尋找好的催化劑已經成為一大核心議題。

強大的催化劑，能夠帶來更快、更高效的化學反應，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，但美國大學的科學家們認為，菠菜（由于富含營養(yǎng)素而被認為是一種「超級食品」）能夠成為一種理想的可再生富碳催化劑，相關原理驗證實驗已經通過論文發(fā)表[注1]。對于這一結論，大力水手絕對會拍手叫好。

菠菜在科學領域有著悠久的貢獻歷史。早在約40年前，就有人希望利用菠菜強大的光合能力與電化學特性。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，作為一位剛剛入行的科學家，我還聽過物理學家Elias Greenbaum在菠菜研究會議上的主題演講，他對菠菜葉中基于蛋白質的“反應中心”很感興趣，希望探索光合作用的基本機制（即植物將二氧化碳轉化為氧氣與碳水化合物的過程）。

菠菜中有兩類反應中心。其一為光系統(tǒng)1（PS1），負責將二氧化碳轉化為糖；其二為光系統(tǒng)2（PS2），負責將水分解為氧氣。PS1引起了科學家們的高度關注，它就像是一個微型光敏電池，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產生光感應電流。

當然，其功率并不算大，但只是讓小分子細胞器維持一整天的運轉。物理學家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)膜細胞，借此治療患有退化性眼疾的病人。由于PS1可以調整，其功能類似于二極管，只能在一個方向上傳遞電流（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線將PS1連接起來，即可構建基礎性的計算機處理器邏輯門。

Greenbaum只是眾多對菠菜抱有興趣的研究者之一。2012年，范德比爾特大學科學家就將PS1與硅結合使用，通過將蛋白質中心沉積到金屬基底上，將電流水平提高至近1000倍，電壓也同時有所提升。他們的目標，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準硅太陽能電池相抗衡。

除了強大的反應中心之外，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驗。去年12月，另一組中國科學家則探討了將基于菠菜的納米復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。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，以產生純氫氣，并為燃料電池供電。最新論文作者認為，葉綠素有望成為燃料電函中氧化還原反應的一種低毒性、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。

美國大學的科學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。將得到的菜汁進行冷凍干燥之后，他們使用研缽及研杵將其研磨成細粉。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。美國大學化學教授ShouZhong Zou在采訪中表示，“我們的實驗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，一部分氮會發(fā)生流失。”

鹽，則是在最終納米片中生成孔狀結構的關鍵，這些孔狀結構則有利于優(yōu)化化學反應的表面積。Zou解釋道，“雖然我們將其稱為納米片，但這些片狀產物相互堆疊時，會形成一種非常堅固的結構。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。”

最后，美國大學的團隊在900攝氏度溫度下進行兩輪熱分解，借此產出富含碳的納米片。

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，“這項工作表明，自然界的氧化還原反應，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，在理想實驗室環(huán)境下能夠良好起效的方法，并不一定可以輕松被轉化為實際應用。下一步，需要建立一套完整的原型，在實際氫燃料電池中使用基于菠菜的催化劑。Zou表示，他們需要與其他實驗室合作，探索菠菜能否在電動汽車的金屬空氣電池中充當良好催化劑。

[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（以菠菜葉為基礎的納米復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