▲周道金（左一）、孙晓明（左二）和沙琪昊在实验室。
■本报实习生 赵婉婷 记者 胡珉琦
“你听说了吗？我们去年落地的全球首个500千瓦电解海水制氢装置上《新闻联播》了。”北京化工大学教授孙晓明在接受《中国科学报》采访时难掩自豪。
6年来，孙晓明团队一直瞄准海水制氢技术展开研究。最近，他们联合香港城市大学教授刘彬团队等在《自然》发表重要成果。该成果破解了利用可再生能源实现海水制氢的难题，首次实现了电解海水制氢设备抗波动1万小时的稳定运行。
与一般论文发表的路径不同，这项技术早在2022年就走出了实验室、实现了商用。
值得一提的是，该论文从投递到确定发表仅用时4个月。顺利登上顶刊并不是技术走向应用的开始，而是团队成果产业化的一份“高分答卷”。
超1.5万小时稳定运行
在孙晓明团队的实验室，密密麻麻的导线与透明软管遍布实验台，它们与大大小小的电解槽相连，共同组成电解装置。通电通水后，电解槽的阴极产氢气、阳极产氧气。
新成果就诞生在这“杂乱”的环境中。
在电解海水时，阳极在氧化电位下工作容易发生过度氧化，并受到海水腐蚀，而阴极处于还原电位，受到的影响相对较小。因此，过去主要聚焦于阳极材料的改良，却忽略了对阴极的研究。
此外，制氢需要大量电力支撑。光伏、风电本是理想的绿色能源，然而太阳能、风能是波动的，天黑或无风时就无法为设备供电，长此以往会引起电解设备频繁启动和关闭。
孙晓明团队注意到，如果利用这种波动的电力制氢，一旦设备停工，阴极就会经历长时间放电，从而受到不可逆的氧化损伤。此外，停工时海水中的卤化物阴离子，如氯离子，也会加剧对阴极的腐蚀。
“目前，大多数研究使用稳定电流评价电极的性能，而针对波动供电情况下阴极失效的问题还没有对策。”孙晓明解释说，在现有技术条件下，无法真正将可再生能源物尽其用。
“用最廉价的水和电，制最经济的氢，是我们的初衷。”于是，孙晓明团队基于过去开发的抗海水腐蚀的磷化物电解材料体系，将NiCoP-Cr2O3设计为电解阴极，并在实验室模拟电解设备供电的启停。
他们为电解装置设定了“昼夜交替”模式，即12小时停工、12小时开工，并使用0.5安每平方厘米的高电流密度。结果显示，这一电解体系既抗氧化损伤，又抗腐蚀，且能长时间稳定运行。
NiCoP-Cr2O3究竟是如何解决阴极损耗问题的？
论文第一作者、孙晓明团队的研究生沙琪昊介绍，这一材料以超疏气金属纳米阵列为基底，经磷化处理后，再包覆Cr2O3薄层。其中，磷化物在放电过程中会形成致密的磷酸盐保护膜，也被称为钝化层，不仅能抵御氯离子的腐蚀，还能抵抗停工时电流的氧化。而Cr2O3作为碱性环境中稳定的金属氧化物，进一步丰富了钝化层，阻挡溶解氧的氧化进攻。此外，钝化层在经历放电后可以动态复原，从而恢复性能。
这些层层防护措施，实现了在启停工况下对阴极的长时间保护。
为进一步测试材料的耐久性和抗腐蚀性，团队设置了更高的电流密度、反应温度和启停工频率，阴极的稳定性依然出色。
孙晓明透露，2024年8月论文投稿到《自然》后，审稿人强烈推荐发表，并评价道：“终于有人关注到阴极损耗的问题，并给出很好的解决方案。这是一项具有开创性的工作，未来一定会被高度引用。”
至论文上线，实验室的测试装置已稳定运行超过1.5万小时，也就是600多天。“这样‘皮实’的催化剂，给制绿氢这件事增添了新希望。”孙晓明说。
老老实实接受工厂批评
2008年，孙晓明到北京化工大学组建课题组。起初他从事“老本行”，研究纳米材料，但后来他逐渐意识到纳米合成、分离领域更多的是方法学的探索。
从2011年开始，孙晓明便将纳米合成技术与电解性能提升结合在一起展开研究。他认为，电化学领域具有更广泛的应用价值。
然而，不了解行业情形的他，屡屡碰壁。
8年前，当孙晓明找到电解槽器件生产厂商，试图推销自己研发的水滑石电解材料时，听到的却是工程师和工人们的吐槽：“这个材料我们尝试过，温度一高电极就溶解了，我们怎么敢用？”
原来，在实验室阶段，科研人员往往采用常温和低电流的温和条件，却没有考虑工厂实际生产使用的是高密度电流，温度高达60℃至80℃。于是，团队唯一的应对办法就是在实验室创造更苛刻的工业条件，改进电极，使其更耐用。
2019年前后，孙晓明团队的副教授邝允赴美国访学，在与国外同行探讨后发现，如果将国内团队开发的电解纯水体系应用到海水电解中，效果会大大优于国际上现有的体系。
正是这次无心插“电”，让孙晓明团队意识到，海水制氢的路线值得一试。
然而，孙晓明团队合成了用于海水制氢的磷化物、硫化物体系，满怀信心去推广，却再次碰壁。因为将海水淡化后再进行电解的技术路径已颇为成熟，厂商质疑道：“海水淡化处理后再产氢也不复杂，干吗费劲用电解海水的新设备？”
回想当时的窘境，孙晓明告诉《中国科学报》：“科研团队以创新为第一要素，而企业以稳定生产为第一要素。如果新技术会给生产带来不确定性，企业就会排斥；相反，如果新技术能帮助稳定生产，企业就会很喜欢。”
因此，孙晓明决心研发工厂真正能用的技术，不与生产脱节。“我们老老实实听取工厂的批评意见，在批评中改进、成长。”
团队成员、北京化工大学化学学院副教授周道金说：“以往电解制氢研究的电流密度是10或20毫安每平方厘米，我们就提高到工业级的500毫安；别人的研究在室温下累积达到200小时，我们就用更高的温度，努力延长反应时间。”
最新论文成果正是在这种坚持下诞生的。
对团队来说，即使不考虑工厂生产情况，在实验室用“温和”的反应条件也能发不错的论文。但是，能够将可再生能源利用起来、实打实运行1万小时产氢，意味着工厂不需要担心阴极的损耗，不需要在产氢时频繁清理和更换电解部件，也意味着制氢成本大幅降低。这样才有可能从产业层面引领可持续制氢的技术迭代。
“做应用研究，我有好多招”
除了大学教授，孙晓明的另一个身份是氢致能源有限公司首席科学家，邝允是该公司负责人。
此次《自然》论文中提出的电极材料，早在3年前公司成立后，就开始应用于工厂的大型海水电解设备了。
“当时正赶上新冠疫情，我们不方便去工厂关设备，没想到，设备一直稳定运行着。”周道金和孙晓明解释说，“我们想先经过实验和应用检验，再去发论文，以便进一步讲清背后的机理。”
从实验室研发出电解材料，到中试基地验证，再到公司进一步解决工程化问题，如今，这一电解材料已经形成了完备的研发、测试、应用体系。
“几年前，我作报告时，一讲光伏制氢，企业家就开始低头玩手机，因为当时光伏太贵。”孙晓明说，“如今光伏成本从一块钱降到了一毛钱，降到了十分之一。西部‘沙戈荒’地区的可再生能源非常丰富，化工基地又需要大量氢，能用高效的装置把便宜的波谷电和光伏利用起来产氢，氢气就便宜多了。”
“近年来，《自然》发表了不少制氢的论文，说明绿氢前景可期。”孙晓明兴奋地说，论文上线一周，就有不少电力企业抛来“橄榄枝”，希望通过合作将风电资源更好地利用起来。
随着更多氢能企业的涌现，竞争也越发激烈。但孙晓明的目标很简单，做有用且耐用的东西。“做应用研究，我有好多招，它们就放在我的‘工具箱’里。一旦发现有可以修补的地方，我就会有一种‘屠龙之技遇上龙’的兴奋感。”
相关论文信息：
10.1038/s41586-025-08610-1
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