“你聽(tīng)說(shuō)了嗎，我們?nèi)ツ曷涞亓巳蚴讉€(gè)500千瓦電解海水制氫裝置上了新聞聯(lián)播。”北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授孫曉明在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)按耐不住自豪。
6年來(lái)，孫曉明團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表了一項(xiàng)重要成果，揭示并解決了利用可再生能源實(shí)現(xiàn)海水產(chǎn)氫的難題，首次實(shí)現(xiàn)了電解海水產(chǎn)氫設(shè)備抗波動(dòng)10000小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。
跟一般論文發(fā)表的路徑不同，其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)早在2022年就走出實(shí)驗(yàn)室、實(shí)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(shí)四個(gè)月。順利收獲頂刊并不是技術(shù)走向應(yīng)用的開(kāi)始，反倒是團(tuán)隊(duì)成果產(chǎn)業(yè)化的“高分答卷”。
超10000小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，陰極是關(guān)鍵
走進(jìn)孫曉明團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室，只見(jiàn)密密麻麻的導(dǎo)線與透明軟管遍布實(shí)驗(yàn)臺(tái)，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(yáng)極產(chǎn)氧氣。
這項(xiàng)成果就誕生在這“雜亂”的環(huán)境中。
孫曉明課題組實(shí)驗(yàn)室一隅。趙婉婷攝
電解海水時(shí)，陽(yáng)極在氧化電位下工作，容易過(guò)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(guò)去的研究主要關(guān)注陽(yáng)極材料的改良，忽略了對(duì)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(yáng)能、風(fēng)能是間歇、波動(dòng)的，天黑或無(wú)風(fēng)時(shí)就無(wú)法給設(shè)備供電，長(zhǎng)此以往就會(huì)導(dǎo)致電解設(shè)備頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉。
孫曉明團(tuán)隊(duì)注意到，如果利用這樣波動(dòng)的電力制氫，一旦設(shè)備“停工”，陰極就會(huì)經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的放電，從而受到不可逆的氧化損傷。此外，停工時(shí)海水中的鹵化物陰離子（如氯離子）也會(huì)加劇對(duì)陰極的腐蝕。
“目前，大多數(shù)研究使用穩(wěn)定電流評(píng)價(jià)電極的性能，而針對(duì)波動(dòng)供電情況下，陰極失效的問(wèn)題還沒(méi)有對(duì)策?！睂O曉明解釋，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，無(wú)法真正將可再生能源物盡其用。
“用最廉價(jià)的水和電，制最經(jīng)濟(jì)的氫，是我們的初衷?！?span style="display:none">rWr即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
于是，孫曉明團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一難題，基于團(tuán)隊(duì)過(guò)去開(kāi)發(fā)的抗海水腐蝕的磷化物電解材料體系，設(shè)計(jì)NiCoP-Cr2O3作為電解陰極，并在實(shí)驗(yàn)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(shí)停工、12小時(shí)開(kāi)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(yùn)行超過(guò)10000小時(shí)。
NiCoP-Cr2O3究竟是如何解決陰極損耗問(wèn)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(guò)程中會(huì)形成致密的磷酸鹽保護(hù)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(shí)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(jìn)一步豐富了鈍化層，阻擋溶解氧的氧化進(jìn)攻。此外，鈍化層在經(jīng)歷放電后可以動(dòng)態(tài)復(fù)原，從而恢復(fù)性能。
這些層層保障實(shí)現(xiàn)了在啟、停工況下對(duì)陰極的長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)。
為進(jìn)一步測(cè)試材料的耐久性和抗腐蝕性，團(tuán)隊(duì)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(qiáng)烈推薦發(fā)表并評(píng)價(jià)道，“終于有人關(guān)注到陰極損耗的問(wèn)題，并給出很好的解決方案。這是一項(xiàng)具有開(kāi)創(chuàng)性的工作，未來(lái)一定會(huì)被高度引用”。
直至論文上線，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試裝置已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)15000小時(shí)，也就是600多天?！坝辛诉@樣皮實(shí)的催化劑，就給制綠氫這件事兒增添了新的希望。”孫曉明說(shuō)。
在波動(dòng)供電中，運(yùn)行15000小時(shí)的電解單槽實(shí)驗(yàn)裝置。趙婉婷攝
老老實(shí)實(shí)聽(tīng)工廠批評(píng)
孫曉明團(tuán)隊(duì)能關(guān)注并攻克行業(yè)難題，是因?yàn)樗幌矚g關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里搞研究。他說(shuō)，自己既要搞技術(shù)，還得當(dāng)銷售，過(guò)程磕磕絆絆。
2008年，孫曉明從美國(guó)斯坦福大學(xué)深造回國(guó)后，來(lái)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(shí)到納米合成、分離領(lǐng)域更多是方法學(xué)的探索。
2011年開(kāi)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(kāi)展研究，他認(rèn)為電化學(xué)領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
可不了解行業(yè)情形的他，屢屢碰壁。
八年前，當(dāng)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(shí)，收到的卻是工程師和工人們的吐槽：“這個(gè)材料我們嘗試過(guò)，但溫度一高電極就溶解，我們?cè)趺锤矣?？?span style="display:none">rWr即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
原來(lái)，在實(shí)驗(yàn)室階段，科研人員往往采取常溫和低電流的“溫和”條件，而沒(méi)有考慮工廠的實(shí)際生產(chǎn)使用高密度電流，期間溫度也會(huì)高至60到80度。
于是，團(tuán)隊(duì)唯一的應(yīng)對(duì)辦法就是在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造更“苛刻”的工業(yè)條件，改進(jìn)電極，使其更耐用。
2019年前后，孫曉明團(tuán)隊(duì)的副教授鄺允赴美國(guó)訪學(xué)，在與國(guó)外同行探討后發(fā)現(xiàn)，如果將國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的電解純水體系應(yīng)用到海水電解時(shí)，效果會(huì)大大優(yōu)于國(guó)際上現(xiàn)有的體系。
正是這次無(wú)心插“電”，讓團(tuán)隊(duì)意識(shí)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(gè)不被看好的“新”領(lǐng)域，因?yàn)榘押Ｋ笤匐娊獾募夹g(shù)路徑更為成熟。孫曉明團(tuán)隊(duì)合成了海水制氫的磷化物、硫化物體系，信心滿滿上門(mén)推廣，再次遭到廠商拒絕。他們問(wèn)道：“海水淡化處理后再產(chǎn)氫也不復(fù)雜，干嘛費(fèi)勁用電解海水的新設(shè)備？”
回想當(dāng)時(shí)的窘境，孫曉明告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“科研團(tuán)隊(duì)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(huì)給他們的生產(chǎn)帶來(lái)不確定性，他們就會(huì)排斥你，認(rèn)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(huì)很喜歡你。”
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)。“我們老老實(shí)實(shí)聽(tīng)工廠的批評(píng)，在批評(píng)中改進(jìn)、成長(zhǎng)。”
團(tuán)隊(duì)成員、北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院副教授周道金說(shuō)：“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(jí)的500毫安；別人的研究在室溫下累積達(dá)到200小時(shí)，我們就用更高的溫度，努力延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。
這項(xiàng)最新的論文成果正是在這種堅(jiān)持下誕生的。
對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，即使不考慮工廠生產(chǎn)情況，在實(shí)驗(yàn)室用“溫和”的反應(yīng)條件也能發(fā)不錯(cuò)的論文。但是，能把可再生能源利用起來(lái)、實(shí)打?qū)嵾\(yùn)行一萬(wàn)小時(shí)產(chǎn)氫，意味著工廠不需要擔(dān)心陰極的損耗，不需要在產(chǎn)氫時(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(fù)責(zé)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(kāi)始投入到工廠的大型海水電解設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用了。
“當(dāng)時(shí)正趕上新冠疫情，我們不方便去工廠關(guān)設(shè)備，沒(méi)想到，設(shè)備一直穩(wěn)定運(yùn)行著，看來(lái)值得進(jìn)一步研究。”周道金和孫曉明解釋，“我們看重的是，先經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用檢驗(yàn)，再拿去發(fā)論文，進(jìn)一步講清背后的機(jī)理。”
從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出電解材料，到中試基地驗(yàn)證，再到公司進(jìn)一步解決工程化問(wèn)題，如今，這一電解材料已經(jīng)形成了完備的研發(fā)、測(cè)試、應(yīng)用體系。
這項(xiàng)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(duì)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化的政策支撐。2024年6月，央視報(bào)道了深圳市的科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)，其中介紹了全球首臺(tái)500kW電解海水制氫裝備的落地。這一設(shè)備由孫曉明團(tuán)隊(duì)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(jí)電解海水裝備中。
“幾年前，我做報(bào)告時(shí)，一講光伏制氫，企業(yè)家就開(kāi)始低頭玩手機(jī)，因?yàn)楣夥F。”孫曉明說(shuō)，“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?dú)?，能有高效的裝置把便宜的波谷電和光伏利用起來(lái)產(chǎn)氫，氫氣就便宜多了。”
“近年來(lái)，《自然》發(fā)表了不少制氫的論文，說(shuō)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(lái)橄欖枝，希望可以合作將風(fēng)電資源更好地利用起來(lái)。
隨著更多氫能企業(yè)的涌現(xiàn)，競(jìng)爭(zhēng)也愈發(fā)激烈。但孫曉明的目的很簡(jiǎn)單，做有用且耐用的東西。“做應(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(bǔ)的地方，我就會(huì)有一種‘屠龍之技遇上龍’的興奮感?！?span style="display:none">rWr即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)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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