“你聽說了嗎，我們去年落地了全球首個500千瓦電解海水制氫裝置上了新聞聯播。”北京化工大學化學學院教授孫曉明在接受《中國科學報》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。最近，他們聯合香港城市大學教授劉彬等團隊在《自然》發表了一項重要成果，揭示并解決了利用可再生能源實現海水產氫的難題，首次實現了電解海水產氫設備抗波動10000小時的穩定運行。
跟一般論文發表的路徑不同，其實這項技術早在2022年就走出實驗室、實現了商用。
值得一提的是，論文從投遞到確定發表僅用時四個月。順利收獲頂刊并不是技術走向應用的開始，反倒是團隊成果產業化的“高分答卷”。
超10000小時穩定運行，陰極是關鍵
走進孫曉明團隊的實驗室，只見密密麻麻的導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，電解槽的陰極產氫氣，陽極產氧氣。
這項成果就誕生在這“雜亂”的環境中。
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。光伏風電本是理想的綠色能源，然而，太陽能、風能是間歇、波動的，天黑或無風時就無法給設備供電，長此以往就會導致電解設備頻繁啟動和關閉。
孫曉明團隊注意到，如果利用這樣波動的電力制氫，一旦設備“停工”，陰極就會經歷長時間的放電，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，大多數研究使用穩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。”孫曉明解釋，在現有技術條件下，無法真正將可再生能源物盡其用。
“用最廉價的水和電，制最經濟的氫，是我們的初衷。”
于是，孫曉明團隊針對這一難題，基于團隊過去開發的抗海水腐蝕的磷化物電解材料體系，設計NiCoP-Cr2O3作為電解陰極，并在實驗室模擬電解設備供電的啟停。
他們給電解裝置設定了“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，結果，這一電解體系抗氧化損傷、抗腐蝕穩定運行超過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作為堿性環境中穩定的金屬氧化物，進一步豐富了鈍化層，阻擋溶解氧的氧化進攻。此外，鈍化層在經歷放電后可以動態復原，從而恢復性能。
這些層層保障實現了在啟、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，團隊還設置了更高的電流密度、反應溫度和啟停工頻率，陰極的穩定性依然表現優異。
孫曉明透露，2024年8月論文投到《自然》后，審稿人強烈推薦發表并評價道，“終于有人關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。”孫曉明說。
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
孫曉明團隊能關注并攻克行業難題，是因為他不喜歡關在實驗室里搞研究。他說，自己既要搞技術，還得當銷售，過程磕磕絆絆。
2008年，孫曉明從美國斯坦福大學深造回國后，來到北京化工大學組建課題組。起初他繼續“老本行”，研究納米材料，但逐漸意識到納米合成、分離領域更多是方法學的探索。
2011年開始，孫曉明把納米合成技術與電解性能提升結合在一起開展研究，他認為電化學領域具有更廣泛的應用價值。
可不了解行業情形的他，屢屢碰壁。
八年前，當孫曉明找到電解槽器件生產廠商，試圖推銷自己研發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，團隊唯一的應對辦法就是在實驗室創造更“苛刻”的工業條件，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，在與國外同行探討后發現，如果將國內團隊開發的電解純水體系應用到海水電解時，效果會大大優于國際上現有的體系。
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”領域，因為把海水淡化后再電解的技術路徑更為成熟。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氫也不復雜，干嘛費勁用電解海水的新設備？”
回想當時的窘境，孫曉明告訴《中國科學報》：“科研團隊以創新為第一要素，而企業是以穩定生產為第一要素。如果新技術推廣會給他們的生產帶來不確定性，他們就會排斥你，認為你在給他們找麻煩；相反，如果能幫助他們穩定生產，他們就會很喜歡你。”
因此，孫曉明決心做工廠真正能用的技術，不與生產脫節。“我們老老實實聽工廠的批評，在批評中改進、成長。”
團隊成員、北京化工大學化學學院副教授周道金說：“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情況，在實驗室用“溫和”的反應條件也能發不錯的論文。但是，能把可再生能源利用起來、實打實運行一萬小時產氫，意味著工廠不需要擔心陰極的損耗，不需要在產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。這樣才有可能從產業層面引領可持續制氫的技術迭代。
左起為周道金，孫曉明和沙琪昊在催化劑穩定性初篩實驗室。趙婉婷攝
“做應用研究，我有好多招”
除了大學教授，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備進行應用了。
“當時正趕上新冠疫情，我們不方便去工廠關設備，沒想到，設備一直穩定運行著，看來值得進一步研究。”周道金和孫曉明解釋，“我們看重的是，先經過實驗和應用檢驗，再拿去發論文，進一步講清背后的機理。”
從實驗室研發出電解材料，到中試基地驗證，再到公司進一步解決工程化問題，如今，這一電解材料已經形成了完備的研發、測試、應用體系。
這項科研成果的落地，也得益于北京化工大學和深圳清華大學研究院對創新成果轉化的政策支撐。2024年6月，央視報道了深圳市的科技創新產業，其中介紹了全球首臺500kW電解海水制氫裝備的落地。這一設備由孫曉明團隊和能源公司自主研發，其中的電極同樣使用了發表在《自然》的材料。同年，這一材料也成功應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，企業家就開始低頭玩手機，因為光伏太貴。”孫曉明說，“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氫，氫氣就便宜多了。”
“近年來，《自然》發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，有不少電力企業向他拋來橄欖枝，希望可以合作將風電資源更好地利用起來。
隨著更多氫能企業的涌現，競爭也愈發激烈。但孫曉明的目的很簡單，做有用且耐用的東西。“做應用研究，我有好多招，它們就放在我的‘工具箱’里。一旦發現有可以修補的地方，我就會有一種‘屠龍之技遇上龍’的興奮感。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08610-1
本文鏈接：http://m.020gz.com.cn/news-8-2820-0.html先應用、再發《自然》，這項研究為何這么干？
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