MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

2024年5月，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程全国重点实验室教授张波的研究团队正准备投稿时，得知一个日本团队的相似研究上线了。后者在Science发表了电解水领域的催化剂研究，并且在某一单项数据上优于张波团队。

整个团队陷入沮丧，一度考虑改投其他期刊。在“低气压”笼罩的一周里，他们整理心情，决定继续投Science，正面“硬刚”。

投稿前，张波团队认真准备了一封给编辑部的“Cover letter”，充分阐述了研究亮点。“我们仔细分析了日本团队的工作后确定，双方的研究思路、聚焦的科学问题都截然不同，而且我们的硬核指标优于他们。”

今年2月14日，这篇论文在Science上线。张波与复旦大学高分子科学系青年研究员徐一飞，化学系青年研究员段赛、教授徐昕为论文共同通讯作者。研究团队通过采用熟化诱导嵌入技术，合成了具有极高催化活性和稳定性的铱/铈嵌入式负载催化剂，解决了贵金属纳米颗粒溶解、脱落、团聚等难题，在减少贵金属用量的同时显著提高了绿氢的生成效率，为绿色氢能的可持续发展树立了新的里程碑。MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

Science论文截图。

1 从“麻球”到“牙齿”MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

不同于传统依赖化石燃料的灰氢、蓝氢，绿氢生产过程中用到的是太阳能、风能等可再生能源，基本不产生温室气体，是我国能源转型的重要方向之一。

然而，目前绿氢的生产仍面临一些挑战，其中之一就是高昂的成本。质子交换膜电解水（PEMWE）技术是当前生产绿氢最为前沿的技术之一，但该技术依赖于析氧反应（OER）催化剂。

现阶段，只有被誉为“耐酸之王”的铱及其氧化物，能够在PEMWE阳极的强酸性环境下稳定工作。然而，铱是地壳中最稀有的元素之一，含量仅为金的1/40，价格十分昂贵。同时，现有的铱基催化剂的催化活性和稳定性，尚无法满足未来绿色氢能产业的需求。

“据国际能源署（IEA）推算，2030年全球制氢电解槽的装机容量需达到850 GW，其中250~425 GW由PEMWE提供，而目前全球铱每年的开采量只能支撑25 GW。要解决这个问题，唯一的办法就是降低铱的使用量。”张波告诉《中国科学报》。MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

张波。

  ?MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

考虑到反应过程只发生于催化剂表面，内部的大量材料被浪费了，张波想到，可以找一种合适的低成本化合物替换内部，降低成本的同时，进一步增加催化剂同水的接触面积，从而提高OER反应的效率和催化活性。

2022年年初，张波开始考虑解决此问题。

凭着对化合物性质的了解，张波和文章第一作者、复旦大学高分子科学系专任副研究员石文娟很快把“替代物”锁定为氧化铈。氧化铈并无电解水催化的性能，但它具有非常特殊的电子结构，能够让氧化铱在其表面分散分布，并保持相对稳定的电子结构，从而提升整体的催化性能。

这一理念在化学领域并不新鲜。学术界有一个专门的名词——负载型催化剂。张波介绍：“负载型催化剂就像早餐吃的麻球，‘麻球’的主体成分是氧化铈，表面的‘芝麻’就是氧化铱，正是这些‘芝麻’在发挥催化作用。”

但这种结构存在一个先天缺陷，电解水制氢过程流动的水和产生的大量气泡会不断冲刷催化剂，导致表面的“芝麻”很容易脱落。事实上，即便放在桌面上不动的时候，“麻球”表面的“芝麻”也会随机掉落。

张波想到了牙齿。同样是在一个动态变化的环境下，无论是啃骨头还是嚼坚果，牙齿都不怕。究其原因，牙齿是种在牙床上的，两者直接的连接非常紧密。类似的，如果把氧化铱“种”在氧化铈上，使得“芝麻”的一半嵌在“麻球”中，一半露在外面，就不怕气泡冲刷了。

顺着这个思路，团队摸索出了让“麻球”和“芝麻”的生长速度相匹配的条件。较之于现有工艺，氧化铱的使用量从原本的20g/m2降低到了3g/m2，为业界提供一种新型催化剂合成体系的同时，也展现出了绝佳的应用潜能。MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

熟化诱导嵌入式催化剂的设计思路示意图。

  ?MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

目前，团队结合实际应用的工作环境，已对该催化剂进行了长达6000小时的PEMWE工况测试。结果显示，该方法有效防止了氧化铱颗粒的溶解、脱落和团聚，并显著提高了催化剂在长期运行中的活性和稳定性。“我们估算，由此制备出来的PEMWE设备寿命达15年以上。”张波表示。

值得一提的是，由于氧化铈对氧化铱独特的调节作用，该催化活性远优于纯氧化铱。换言之，在相同的产氢速率下，每生产1 m3氢气，使用“麻球”催化剂可以节省约1度电。按照IEA预测2050年需要1亿吨氢气来估算，可节省1.12万亿度电，相当于6个三峡电站一年的发电量。

2“长板”凝聚起团队合作MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

这项研究从想法提出到最终论文上线，共花费3年时间。对于CNS级别的研究成果，耗时数年、经历诸多挫折后艰难发表十分常见。但这次，记者听到了另一个版本的故事。几位主要成员都表示：“整体挺顺利的”。

这背后，既离不开他们对科学原理的深入理解，也离不开几个团队之间的深度合作。“把自己的‘长板’和别人的‘长板’拼起来，才能形成更高的木桶。”张波指出。

研究团队主要成员，从左至右为徐昕、段赛、张波、徐一飞、邢骋坤。

  ?MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

在催化剂领域，人们往往更关心催化剂在反应过程中起到了怎样的作用，以此反推如何进一步优化其性能。而张波和石文娟则决定“反其道而行之”，探究相对“冷门”的催化剂合成过程。

“我相信只要能解决工业，得到的催化剂就一定有效。”张波说道。

基于这条主线，合作很快展开。

首先，由徐昕、段赛团队负责计算模拟，以确定让“麻球”和表面“芝麻”生长速度相匹配的实验条件。由于反应涉及近百万个原子，同时合成过程长达3个小时，他们初步估算，即便采用最先进的机器学习加速分子动力学方法，模拟一次这样的合成过程，仍需用到3万个CPU和3万个GPU，且模拟时间约4.5年。凭借丰富的经验，理论计算团队提出“快慢过程分离”的思想，采用全原子动力学蒙特卡洛方法，反复调整思路、优化算法，最终在单个CPU计算机上实现了1小时内完成一次合成过程的模拟。

理论计算结果显示，要想让生长速度匹配，催化剂合成过程中需要用到表面坑坑洼洼、高缺陷的氧化铈，并辅以超声处理。基于这些预设条件，张波团队开始了大量尝试。反应过程中，氧化铱和氧化铈的纳米晶体分散在有机溶剂中，在超声和加热作用下以不同速度“长大”，并互相靠近，最终得到了理想的负载型催化剂。

而徐一飞的加入，则让反应有了更多“眼见为实”的结论。在前期工作中，徐一飞解决了冷冻透射电镜（CryoTEM）观测有机溶剂样品的瓶颈问题，为此次观察催化剂材料奠定了基础。结合冷冻电子断层扫描技术（CryoET），徐一飞清楚地看到了“麻球”生长过程——氧化铈颗粒不断长大，慢慢把氧化铱包裹起来，最终形成了“嵌入”的结构。在此过程中，超声可以加速小颗粒的氧化铈溶解，进而加快了载体的生长。

更令人惊喜的是，电镜的观测结果和计算模拟完全吻合，进一步确认该合成策略的有效性。

催化剂形成过程的CryoTEM/ET观测、全原子动态蒙特卡洛（KMC）模拟以及PEMWE工况性能检测。

  ?MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

张波指出：“这其实是理论和实验相互迭代的过程。由计算机模拟得出大方向后进行实验验证，再把结果反馈给理论，进一步优化实验条件。”

3 Cover letter化解“危机”MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

2024年5月，研究团队准备投稿时，得到了一个“坏”消息：日本理化学研究所的研究人员已在Science杂志上发表关于铱单原子负载在氧化锰上的突破性成果。在不改变氢气产生速度的情况下，这项研究将反应所需的铱减少了95%，超过了张波团队减少85%的数值。

“日本团队的研究未满足性能和稳定性的要求。”张波补充道，“可以认为，他们的工作更聚焦于从科学原理上探索让铱用量尽可能少的极限；而我们则是从基础研究和应用入手，解决工业中负载型催化剂易掉落的问题，同时降低现有制氢工艺中铱的使用量。”

此前，美国能源部（DOE）发布了2026年的技术目标，针对PEMWE中贵金属催化剂，提出了3个要求：用量方面，铂族金属（包括铱和铂）的总含量需从2022年的3.0 mg/cm2降至0.5 mg/cm2；性能方面，电解槽在1.8 V的单电池电压下实现3.0 A/cm2的电流密度；稳定性方面，电解槽的平均降解率需从2022年的4.8 mV/kh降至2.3 mV/kh，即每1000小时性能损失0.13%。

基于此，张波带领团队在投稿前反复讨论思路，认真准备了一封给编辑部的“Cover letter”。信中详细介绍了此项研究中的亮点，并专门对比了同日本这项研究之间的差异性，强调“据我们所知，这是第一次同时实现DOE 2026的所有目标，包括铱的负载量、活性和稳定性”。

2024年6月，张波把论文投给了Science编辑部，不久后就收到了编辑部回信和同行评议意见 ——而并非想象中的拒稿信。他们的工作获得了认可，这时大家悬着的心才落了下来。在解答了审稿人的一些细节问题后，2024年12月7日，论文正式被接收了。

审稿人表示，“研究结果令人印象深刻”“有望解决大规模应用PEMWE技术中的一个主要问题”“这些材料在多个OER催化剂评估指标上表现优异”。

回顾这段有惊无险的经历，张波总结：“很重要的一点是，我们对于这项工作的创新性和性能很有自信，并在信中非常清晰地说明了研究的重要意义、同日本团队的差异。”

4 跑步迈向产业化MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

这是张波的第二篇Science论文。

2016年，张波在加拿大多伦多大学做博后期间，以论文一作的身份，首次在Science发表了研究论文。

此时，博士后的工作即将结束，张波也在认真考虑未来去向的问题。抱着试试看的心态，张波给时任复旦大学高分子科学系副主任彭慧胜发去了一封“自荐信”。

“当时，彭老师带领的团队已经在新能源领域开展了一系列前沿工作，同时复旦大学高分子科学系是一个非常交叉的平台，和我的研究兴趣十分契合，是我的‘第一选择’。”张波回忆道。

邮件发出去几小时后，张波就收到了来自彭慧胜的越洋电话，邀请他回国参加面试。

2017年，34岁的张波顺利加入了复旦大学。在彭慧胜的举荐下，他牵头和参与了多个面向应用的国家重大项目。此前，张波的主要工作阵地在实验室，对应用和产业的概念一知半解，无论是项目申请还是与企业交流，都碰了很多壁。

“彭老师给了我很多非常好的建议，也正是在他的帮助下，我逐渐增强了做应用产品的能力，并对科研有了新的见解。”回看这段爬坡的经历，张波不无感慨。

“这么多年，我一直在埋头往前跑，不敢停下来，跑着跑着发现，越过了很多沿途的障碍，也慢慢跑在了前面。”

张波和女儿。

  ?MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

2023年3月，基于团队在电解水领域多年的科研成果，张波创立了山海氢（上海）新能源科技有限公司。

这一年张波刚好40岁。“从0到1的创新诚然十分重要，但科研人员必须有从1到100的成果转化意识，把基础研究的突破转变为可落地的产品。我希望通过把有用的科研转化为有用的产品，创造更大的社会价值。”

“山海氢”源自“山海经”，象征着现代科技与传统文化的碰撞，也蕴含着张波发展绿氢产业的决心。“我的故乡在‘山’东，扎根在上‘海’，现在在发展‘氢’能。”张波表示，另一层含义则是，“山”象征电极，“海”象征水，电解产“氢”。

目前，依托于公司产线，团队研发的铱/铈嵌入式负载催化剂已完成第三方测评认证和一期中试，正在进一步简化放大工艺、降低成本。

“如果说从0到1是不惜一切代价追求极致的性能，做产品的时候则必须考虑市场的接受度，即在满足性能要求的前提下，简化生产工艺、降低成本、提高良品率。”张波强调。一切顺利的话，该催化剂今年就能正式推广，膜电极产线的设计产能可达7 GW/年，而目前国内一年的装机容量仅为0.2 GW。

关于未来，张波有着美好的愿景。一方面，他和团队将持续开发低铱催化剂甚至非贵金属催化剂，把更多实验室中的电解水制氢技术变为产品，满足国家对于绿氢的需求；另一方面，他所带领的“碳中和电催化课题组”将围绕电解水催化剂、阴离子交换膜及离聚物、二氧化碳还原催化剂开展更多基础研究和应用技术研究，以期探寻更多清洁能源开发利用的途径。MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

碳中和电催化课题组部分成员，前排右三为石文娟。

  ?MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

“社会发展到今天，国家产业和经济的发展引擎正在从规模化工业生产转向高附加值、高新技术引领的新质生产力，其源头必然是科技创新。作为科技成果的制造者，科学家未必要自己创业，但一定要有成果转化的意识，找到真问题、解决真问题、创造真价值。我想，这也是我们这一代中青年科学家新的使命。”张波的目光坚定而有神。

相关论文信息：

http//doi.org/10.1126/science.adr3149MjI即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

*本文图片均由受访者提供