“你聽說了嗎，我們?nèi)ツ曷涞亓巳蚴讉€500千瓦電解海水制氫裝置上了新聞聯(lián)播?！北本┗ご髮W(xué)化學(xué)學(xué)院教授孫曉明在接受《中國科學(xué)報》采訪時按耐不住自豪。
6年來，孫曉明團隊瞄準的是海水制氫技術(shù)。最近，他們聯(lián)合香港城市大學(xué)教授劉彬等團隊在《自然》發(fā)表了一項重要成果，揭示并解決了利用可再生能源實現(xiàn)海水產(chǎn)氫的難題，首次實現(xiàn)了電解海水產(chǎn)氫設(shè)備抗波動10000小時的穩(wěn)定運行。
跟一般論文發(fā)表的路徑不同，其實這項技術(shù)早在2022年就走出實驗室、實現(xiàn)了商用。
值得一提的是，論文從投遞到確定發(fā)表僅用時四個月。順利收獲頂刊并不是技術(shù)走向應(yīng)用的開始，反倒是團隊成果產(chǎn)業(yè)化的“高分答卷”。
超10000小時穩(wěn)定運行，陰極是關(guān)鍵
走進孫曉明團隊的實驗室，只見密密麻麻的導(dǎo)線與透明軟管遍布實驗臺，它們與大大小小的電解槽相連，共同組成電解裝置。通電通水后，電解槽的陰極產(chǎn)氫氣，陽極產(chǎn)氧氣。
這項成果就誕生在這“雜亂”的環(huán)境中。
孫曉明課題組實驗室一隅。趙婉婷攝
電解海水時，陽極在氧化電位下工作，容易過度氧化、并受到海水腐蝕，而陰極處于還原電位，受到的影響較小。因此，過去的研究主要關(guān)注陽極材料的改良，忽略了對陰極的研究。
此外，制氫需要依靠大量電力支撐。光伏風(fēng)電本是理想的綠色能源，然而，太陽能、風(fēng)能是間歇、波動的，天黑或無風(fēng)時就無法給設(shè)備供電，長此以往就會導(dǎo)致電解設(shè)備頻繁啟動和關(guān)閉。
孫曉明團隊注意到，如果利用這樣波動的電力制氫，一旦設(shè)備“停工”，陰極就會經(jīng)歷長時間的放電，從而受到不可逆的氧化損傷。此外，停工時海水中的鹵化物陰離子（如氯離子）也會加劇對陰極的腐蝕。
“目前，大多數(shù)研究使用穩(wěn)定電流評價電極的性能，而針對波動供電情況下，陰極失效的問題還沒有對策?！睂O曉明解釋，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，無法真正將可再生能源物盡其用。
“用最廉價的水和電，制最經(jīng)濟的氫，是我們的初衷?！?span style="display:none">CW3即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
于是，孫曉明團隊針對這一難題，基于團隊過去開發(fā)的抗海水腐蝕的磷化物電解材料體系，設(shè)計NiCoP-Cr2O3作為電解陰極，并在實驗室模擬電解設(shè)備供電的啟停。
他們給電解裝置設(shè)定了“晝夜交替”模式，12小時停工、12小時開工，并使用0.5Acm-2的高電流密度，結(jié)果，這一電解體系抗氧化損傷、抗腐蝕穩(wěn)定運行超過10000小時。
NiCoP-Cr2O3究竟是如何解決陰極損耗問題的？
論文一作、研究生沙琪昊介紹，這一材料以超疏氣金屬納米陣列為基底，經(jīng)磷化處理后，再包覆Cr2O3薄層。其中，磷化物在放電過程中會形成致密的磷酸鹽保護膜，也被稱為“鈍化層”，鈍化層不僅可以抵御氯離子腐蝕，還能抵抗停工時電流的氧化。而Cr2O3作為堿性環(huán)境中穩(wěn)定的金屬氧化物，進一步豐富了鈍化層，阻擋溶解氧的氧化進攻。此外，鈍化層在經(jīng)歷放電后可以動態(tài)復(fù)原，從而恢復(fù)性能。
這些層層保障實現(xiàn)了在啟、停工況下對陰極的長時間保護。
為進一步測試材料的耐久性和抗腐蝕性，團隊還設(shè)置了更高的電流密度、反應(yīng)溫度和啟停工頻率，陰極的穩(wěn)定性依然表現(xiàn)優(yōu)異。
孫曉明透露，2024年8月論文投到《自然》后，審稿人強烈推薦發(fā)表并評價道，“終于有人關(guān)注到陰極損耗的問題，并給出很好的解決方案。這是一項具有開創(chuàng)性的工作，未來一定會被高度引用”。
直至論文上線，實驗室的測試裝置已穩(wěn)定運行超過15000小時，也就是600多天。“有了這樣皮實的催化劑，就給制綠氫這件事兒增添了新的希望?！睂O曉明說。
在波動供電中，運行15000小時的電解單槽實驗裝置。趙婉婷攝
老老實實聽工廠批評
孫曉明團隊能關(guān)注并攻克行業(yè)難題，是因為他不喜歡關(guān)在實驗室里搞研究。他說，自己既要搞技術(shù)，還得當銷售，過程磕磕絆絆。
2008年，孫曉明從美國斯坦福大學(xué)深造回國后，來到北京化工大學(xué)組建課題組。起初他繼續(xù)“老本行”，研究納米材料，但逐漸意識到納米合成、分離領(lǐng)域更多是方法學(xué)的探索。
2011年開始，孫曉明把納米合成技術(shù)與電解性能提升結(jié)合在一起開展研究，他認為電化學(xué)領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用價值。
可不了解行業(yè)情形的他，屢屢碰壁。
八年前，當孫曉明找到電解槽器件生產(chǎn)廠商，試圖推銷自己研發(fā)的水滑石電解材料時，收到的卻是工程師和工人們的吐槽：“這個材料我們嘗試過，但溫度一高電極就溶解，我們怎么敢用？”
原來，在實驗室階段，科研人員往往采取常溫和低電流的“溫和”條件，而沒有考慮工廠的實際生產(chǎn)使用高密度電流，期間溫度也會高至60到80度。
于是，團隊唯一的應(yīng)對辦法就是在實驗室創(chuàng)造更“苛刻”的工業(yè)條件，改進電極，使其更耐用。
2019年前后，孫曉明團隊的副教授鄺允赴美國訪學(xué)，在與國外同行探討后發(fā)現(xiàn)，如果將國內(nèi)團隊開發(fā)的電解純水體系應(yīng)用到海水電解時，效果會大大優(yōu)于國際上現(xiàn)有的體系。
正是這次無心插“電”，讓團隊意識到，海水制氫的路同樣值得一試。
然而，直接電解海水制氫是一個不被看好的“新”領(lǐng)域，因為把海水淡化后再電解的技術(shù)路徑更為成熟。孫曉明團隊合成了海水制氫的磷化物、硫化物體系，信心滿滿上門推廣，再次遭到廠商拒絕。他們問道：“海水淡化處理后再產(chǎn)氫也不復(fù)雜，干嘛費勁用電解海水的新設(shè)備？”
回想當時的窘境，孫曉明告訴《中國科學(xué)報》：“科研團隊以創(chuàng)新為第一要素，而企業(yè)是以穩(wěn)定生產(chǎn)為第一要素。如果新技術(shù)推廣會給他們的生產(chǎn)帶來不確定性，他們就會排斥你，認為你在給他們找麻煩；相反，如果能幫助他們穩(wěn)定生產(chǎn)，他們就會很喜歡你?！?span style="display:none">CW3即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
因此，孫曉明決心做工廠真正能用的技術(shù)，不與生產(chǎn)脫節(jié)?！拔覀兝侠蠈崒嵚牴S的批評，在批評中改進、成長?！?span style="display:none">CW3即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
團隊成員、北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院副教授周道金說：“以往電解制氫的研究使用10或20毫安每平方厘米的電流密度，我們就提高到工業(yè)級的500毫安；別人的研究在室溫下累積達到200小時，我們就用更高的溫度，努力延長反應(yīng)時間。
這項最新的論文成果正是在這種堅持下誕生的。
對團隊來說，即使不考慮工廠生產(chǎn)情況，在實驗室用“溫和”的反應(yīng)條件也能發(fā)不錯的論文。但是，能把可再生能源利用起來、實打?qū)嵾\行一萬小時產(chǎn)氫，意味著工廠不需要擔心陰極的損耗，不需要在產(chǎn)氫時頻繁地清理和更換電解部件，意味著制氫成本大大降低。這樣才有可能從產(chǎn)業(yè)層面引領(lǐng)可持續(xù)制氫的技術(shù)迭代。
左起為周道金，孫曉明和沙琪昊在催化劑穩(wěn)定性初篩實驗室。趙婉婷攝
“做應(yīng)用研究，我有好多招”
除了大學(xué)教授，孫曉明的另一個身份是氫致能源有限公司的首席科學(xué)家，鄺允如今是公司的負責人。
此次《自然》論文中提出的電極材料，早在3年前公司成立后，就開始投入到工廠的大型海水電解設(shè)備進行應(yīng)用了。
“當時正趕上新冠疫情，我們不方便去工廠關(guān)設(shè)備，沒想到，設(shè)備一直穩(wěn)定運行著，看來值得進一步研究?！敝艿澜鸷蛯O曉明解釋，“我們看重的是，先經(jīng)過實驗和應(yīng)用檢驗，再拿去發(fā)論文，進一步講清背后的機理?！?span style="display:none">CW3即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
從實驗室研發(fā)出電解材料，到中試基地驗證，再到公司進一步解決工程化問題，如今，這一電解材料已經(jīng)形成了完備的研發(fā)、測試、應(yīng)用體系。
這項科研成果的落地，也得益于北京化工大學(xué)和深圳清華大學(xué)研究院對創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化的政策支撐。2024年6月，央視報道了深圳市的科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)，其中介紹了全球首臺500kW電解海水制氫裝備的落地。這一設(shè)備由孫曉明團隊和能源公司自主研發(fā)，其中的電極同樣使用了發(fā)表在《自然》的材料。同年，這一材料也成功應(yīng)用在兆瓦級電解海水裝備中。
“幾年前，我做報告時，一講光伏制氫，企業(yè)家就開始低頭玩手機，因為光伏太貴?！睂O曉明說，“如今光伏成本從一塊變成一毛，降了十倍。西部‘沙戈荒’地區(qū)的可再生能源非常豐富，化工基地又需要氫，能有高效的裝置把便宜的波谷電和光伏利用起來產(chǎn)氫，氫氣就便宜多了。”
“近年來，《自然》發(fā)表了不少制氫的論文，說明綠氫前景可期。”孫曉明興奮地表示，論文上線后的一周，有不少電力企業(yè)向他拋來橄欖枝，希望可以合作將風(fēng)電資源更好地利用起來。
隨著更多氫能企業(yè)的涌現(xiàn)，競爭也愈發(fā)激烈。但孫曉明的目的很簡單，做有用且耐用的東西?！白鰬?yīng)用研究，我有好多招，它們就放在我的‘工具箱’里。一旦發(fā)現(xiàn)有可以修補的地方，我就會有一種‘屠龍之技遇上龍’的興奮感?！?span style="display:none">CW3即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08610-1
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