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北京化工大學(xué)教授孫曉明，以“把論文寫在祖國大地上”為信念，將科研成果轉(zhuǎn)化為服務(wù)國家戰(zhàn)略、造福民生的實(shí)踐力量。

碧海深處，氫能涌動(dòng)。在“雙碳”戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，中國可再生能源裝機(jī)規(guī)模持續(xù)攀升——截至2025年3月，風(fēng)電、光伏累計(jì)裝機(jī)達(dá)14.82億千瓦，首次超越火電，但電力并網(wǎng)消納的全球性難題隨之凸顯。2025年5月，國家政策明確要求綠電直連項(xiàng)目自發(fā)自用電量需達(dá)60%以上，儲能技術(shù)成為破局關(guān)鍵。其中，可再生能源電解水制氫以其長時(shí)儲能特性脫穎而出，成為全球競相布局的“新賽道”：2024年全球新增產(chǎn)能超7萬噸/年，中國以63%的占比領(lǐng)跑全球。

在這場能源革命中，北京化工大學(xué)孫曉明團(tuán)隊(duì)的研究成果尤為矚目。2025年3月，他們在《Nature》發(fā)表電解海水制氫技術(shù)突破，為波動(dòng)性綠電“馴服”海水提供了中國方案。當(dāng)“伏羲一號”海上平臺電解槽吐出第一縷99.999%純度的綠氫，孫曉明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與氯離子纏斗15年的科研長征，終于在波濤中結(jié)出碩果。

從破解風(fēng)電光伏間歇性供電的致命痛點(diǎn)，到讓海水從“腐蝕源”變?yōu)椤爸茪渲帧保瑢O曉明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在綠氫制備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)階梯式突破：早期開發(fā)金屬氧化物催化劑、首創(chuàng)“氣體超浸潤電極”概念，進(jìn)而破解海水電解的氯離子腐蝕難題，最終研發(fā)出全球首個(gè)抗波動(dòng)運(yùn)行1萬小時(shí)的電解海水制氫技術(shù)。這項(xiàng)突破不僅用三層動(dòng)態(tài)防護(hù)的“分子鎧甲”突破電極壽命極限——在模擬風(fēng)電波動(dòng)的12小時(shí)啟停循環(huán)中實(shí)現(xiàn)壽命提升20倍，更以模塊化撬裝設(shè)計(jì)征服海洋環(huán)境，將設(shè)備體積壓縮40%，抗12級臺風(fēng)，24小時(shí)快速部署。從實(shí)驗(yàn)室克級材料到吉瓦級產(chǎn)線投產(chǎn)，他們構(gòu)建起從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的完整閉環(huán)，推動(dòng)綠氫成本逼近煤制氫的臨界點(diǎn)。

在科研這條道路上，孫曉明始終堅(jiān)守“做個(gè)好學(xué)者，研究真問題”的原則，將個(gè)人學(xué)術(shù)興趣與國家戰(zhàn)略需求緊密相融，以“十年磨一劍”的治學(xué)精神踐行“把論文寫在祖國大地上”的誓言。2025年，孫曉明團(tuán)隊(duì)的成果登上《自然》期刊，《自然 化學(xué)工程》評價(jià)其為“在間歇條件下水電解取得的重大突破，解決了在這種條件下維持電解槽穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題?！倍@項(xiàng)技術(shù)已在深圳氫致能源公司的兆瓦級裝備上穩(wěn)定運(yùn)行超過600天。

此刻，孫曉明辦公室墻上那幅標(biāo)記著數(shù)十個(gè)海上制氫平臺的特殊地圖，早已不是簡單的項(xiàng)目坐標(biāo)——那是中國科學(xué)家書寫能源革命的新篇章。

氫能破儲能困局 材料創(chuàng)新辟新徑

在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，中國風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量已居全球首位，但局部地區(qū)棄電率超5%的問題凸顯，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)亟需破解儲能難題。對于大型風(fēng)光電站而言，傳統(tǒng)電池型電化學(xué)儲能技術(shù)因資源消耗大、長周期儲能能力不足，難以適配電網(wǎng)級規(guī)模需求。在此背景下，氫化學(xué)儲能以“跨時(shí)空調(diào)節(jié)”和“多場景消納”的獨(dú)特優(yōu)勢，成為破解可再生能源消納難題的關(guān)鍵路徑。

氫能兼具能源與物質(zhì)雙重屬性，其長周期儲能特性可實(shí)現(xiàn)夏季光伏余電或冬季風(fēng)電過剩電力向數(shù)月后的需求高峰轉(zhuǎn)移，填補(bǔ)傳統(tǒng)鋰電池以“天”為周期的儲能空白。更關(guān)鍵的是，氫能作為“萬能轉(zhuǎn)換器”，既能通過電解水實(shí)時(shí)消納風(fēng)光發(fā)電的波動(dòng)性輸出，降低電網(wǎng)調(diào)峰壓力；又可作為零碳燃料或化工原料，構(gòu)建“風(fēng)光電-綠氫-零碳工業(yè)”全鏈條，破解可再生能源“孤島效應(yīng)”。從戰(zhàn)略層面看，綠氫更是工業(yè)、冶金等難脫碳領(lǐng)域的核心解決方案，例如化工行業(yè)使用綠氫替代化石燃料生產(chǎn)甲醇可降碳80%以上，鋼鐵行業(yè)采用綠氫還原鐵礦石可實(shí)現(xiàn)“零碳煉鋼”，與中國“雙碳”目標(biāo)高度契合。

實(shí)現(xiàn)綠電與綠氫深度耦合的關(guān)鍵在于電解槽技術(shù)突破。當(dāng)前工業(yè)化應(yīng)用的電解槽主要分為酸性（PEM）和堿性（ALK）兩類，前者依賴貴金屬（如Pt、Ir），規(guī)模化推廣可能面臨貴金屬資源限制；后者雖不依賴貴金屬，但傳統(tǒng)堿性電解槽需穩(wěn)定電源，難以適配波動(dòng)性綠電。孫曉明教授團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)堿性電解海水技術(shù)，針對其“無法下咽垃圾電”的痛點(diǎn)展開攻關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)性電力下電解槽陰極活性衰減是核心問題——停機(jī)時(shí)反向電流及跨膜溶解氧會導(dǎo)致陰極氧化失效。傳統(tǒng)解決方案通過設(shè)備改進(jìn)或工藝調(diào)整減輕影響，但未能根治材料抗氧化問題，且增加成本。

孫曉明團(tuán)隊(duì)在2025年《Nature》發(fā)表的成果中，提出“原位構(gòu)建多層鈍化結(jié)構(gòu)”的創(chuàng)新方案。其開發(fā)的NiCoP-Cr2O3電極在間歇電解過程中，停機(jī)時(shí)自動(dòng)生成三層鈍化結(jié)構(gòu)，有效抵抗反向電流氧化、自放電等問題；Cr2O3層還能阻隔跨膜溶解氧對陰極的過度氧化。更巧妙的是，鈍化層在重啟時(shí)通過施加負(fù)電位可還原為原始晶相，實(shí)現(xiàn)“自我修復(fù)”。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該電極在0.5A/cm2工業(yè)高電流密度下，過電位僅250mV，連續(xù)啟停10000小時(shí)后電壓幾乎無增長，壽命較傳統(tǒng)電極提升10倍以上。此外，中間磷酸鹽層顯著提高氯離子對金屬Ni位點(diǎn)的吸附能，使堿性鹽水中電極壽命從500小時(shí)延長至10000小時(shí)以上，解決了“鹽腐蝕”難題。目前該技術(shù)已在中廣核“伏羲一號”海上平臺落地，成功適配風(fēng)電18%~150%負(fù)荷調(diào)節(jié)，即使在臺風(fēng)導(dǎo)致頻繁啟停時(shí)，仍保持99.999%氫氣純度和85%以上綜合能效，驗(yàn)證了其工程可行性。

值得關(guān)注的是，孫曉明團(tuán)隊(duì)此前還提出“動(dòng)態(tài)調(diào)控Ir-Cl配位”策略，突破傳統(tǒng)海水電解“排斥Cl-”的思維定式。通過利用海水中Cl-與Ir活性位點(diǎn)的強(qiáng)配位特性，優(yōu)化中間體吸附能并降低反應(yīng)能壘，顯著提升堿性海水環(huán)境中陽極析氧反應(yīng)（OER）活性和選擇性。這一創(chuàng)新相當(dāng)于給催化劑裝上“智能閥門”，實(shí)現(xiàn)“活性-穩(wěn)定性”的平衡，使堿性海水電解能耗較純水電解降低近30%。正如孫曉明的比喻，該技術(shù)讓海水與制氫“化敵為友”，使電解技術(shù)對水質(zhì)不再挑剔，含鹽臟水也可直接制氫。 

孫曉明團(tuán)隊(duì)通過材料創(chuàng)新，不僅解決了堿性電解海水技術(shù)適配波動(dòng)性綠電的世界級難題，更推動(dòng)了電解水制氫從“被動(dòng)耐蝕”向“主動(dòng)調(diào)控”的思路革新。這些突破為構(gòu)建“電氫協(xié)同”的新型能源體系提供了關(guān)鍵支撐，有望加速全球能源結(jié)構(gòu)向零碳轉(zhuǎn)型。

綠氫攻堅(jiān)降成本 技術(shù)領(lǐng)航向未來

當(dāng)前，全球能源轉(zhuǎn)型浪潮下，綠氫作為連接可再生能源與工業(yè)脫碳的關(guān)鍵載體，其大規(guī)模商業(yè)化進(jìn)程備受關(guān)注。然而，盡管風(fēng)電、光伏發(fā)電電解海水制氫被視為未來綠氫生產(chǎn)的重要方向，其成本與傳統(tǒng)化石燃料（如煤）制氫仍存在顯著差距。

據(jù)孫曉明介紹，目前風(fēng)電、光伏電解海水制氫成本約為3-4美元/kg，而傳統(tǒng)化石燃料（如煤）制氫成本僅1.5美元/kg，這一差距主要源于電價(jià)偏高、催化劑壽命不足及系統(tǒng)規(guī)?；潭容^低。以中國為例，當(dāng)前每年3600萬噸的氫需求中，大部分為煤制灰氫，成本約10元/kg，雖能滿足煉油等低純度需求，但若用于燃料電池或高端冶金領(lǐng)域，需進(jìn)一步提純至99.999%，提純成本超3元/kg，疊加未來碳稅后成本將更高。相比之下，當(dāng)綠電成本降至0.15元/kWh時(shí)，綠氫成本可壓降至10元/kg且純度達(dá)標(biāo)，顯示出其降本潛力。

綠氫商業(yè)化進(jìn)程的制約因素主要體現(xiàn)在三方面：一是催化劑耐久性不足，高鹽環(huán)境下電極壽命僅1-2萬小時(shí)，更換成本占設(shè)備總支出30%以上；二是系統(tǒng)集成效率偏低，傳統(tǒng)電解槽在大規(guī)模制氫時(shí)存在活性位點(diǎn)分布不均、能耗升高等問題；三是電價(jià)與政策支持體系待完善，風(fēng)電、光伏平均電價(jià)約0.4元/kWh，較火電仍有差距，且綠氫尚未納入碳交易等市場化補(bǔ)償機(jī)制。

針對上述瓶頸，孫曉明團(tuán)隊(duì)提出了三條技術(shù)路徑：其一，通過“多層鈍化結(jié)構(gòu)”“配位工程”等技術(shù)將催化劑壽命提升至8萬小時(shí)（目標(biāo)2030年），降低材料更換頻率；其二，采用撬裝式模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)5MW級裝備規(guī)?；a(chǎn)，預(yù)計(jì)降低制造成本30%以上，同時(shí)提升海上平臺空間利用率；其三，推動(dòng)風(fēng)光電價(jià)降至0.2元/kWh以下，并探索“綠氫置換碳配額”機(jī)制，通過政策與電價(jià)協(xié)同提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。這些措施若落地，綠氫成本有望接近10元/kg，加速其商業(yè)化進(jìn)程。

值得關(guān)注的是，孫曉明團(tuán)隊(duì)在工程實(shí)踐中已實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)突破。在實(shí)驗(yàn)室催化劑的工程化集成方面，團(tuán)隊(duì)通過等離子噴涂、液相合成等技術(shù)，解決了大面積電極均勻性控制難題，并結(jié)合“流場均勻性設(shè)計(jì)”優(yōu)化電解槽流體場，避免局部過載導(dǎo)致的性能衰減；在動(dòng)態(tài)工況適應(yīng)性上，開發(fā)智能控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流密度與電解液流速，將局部過熱和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)降低70%。 

此外，模塊化撬裝設(shè)計(jì)使裝置體積縮小40%，安裝時(shí)間從兩周縮短至24小時(shí)，支持多模塊并聯(lián)擴(kuò)容至百兆瓦級，適應(yīng)海上風(fēng)電集群需求。針對海上鹽霧腐蝕問題，團(tuán)隊(duì)從材料革新與環(huán)境改造雙管齊下，優(yōu)選防腐涂料并開發(fā)高通量腐蝕離子過濾器，同時(shí)通過余熱利用脫鹽技術(shù)解決海水電解鹽積累問題，將綜合能源利用率提升至90%以上。這些技術(shù)已在真實(shí)海況下驗(yàn)證，連續(xù)運(yùn)行超1000小時(shí)性能衰減小于1%，氫氣純度穩(wěn)定在99.999%以上，為海上綠氫裝備規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的大背景下，風(fēng)電與光伏在電解海水制氫中的角色互補(bǔ)性日益凸顯。風(fēng)電因單機(jī)容量大、輸出穩(wěn)定，適合支撐大規(guī)模制氫裝置，但風(fēng)速波動(dòng)對電極耐久性提出挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“多層鈍化結(jié)構(gòu)”技術(shù)有效提升了電極抗疲勞能力；光伏則憑借分布式部署靈活的優(yōu)勢，適配海上平臺碎片化空間，但功率波動(dòng)范圍大（20%-100%），團(tuán)隊(duì)研發(fā)的寬功率電解工藝確保了低負(fù)荷段制氫效率與安全性。

未來，電解海水制氫將呈現(xiàn)三大趨勢：一是多能耦合一體化，推動(dòng)“風(fēng)光儲氫”與潮汐能、波浪能深度融合，構(gòu)建綜合供能系統(tǒng)；二是材料國產(chǎn)化與低成本化，加速非貴金屬催化劑研發(fā)，降低對進(jìn)口貴金屬的依賴；三是智能化與無人化升級，通過AI診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警與預(yù)測性維護(hù)，適應(yīng)海上無人值守場景。

孫曉明說，總體而言，風(fēng)電與光伏并非“二選一”，而是通過技術(shù)適配與協(xié)同，共同推動(dòng)海上“綠電-綠氫”一體化從示范走向規(guī)模化，為“雙碳”目標(biāo)提供海洋能源解決方案。

孫曉明的科研理念與實(shí)踐，為青年學(xué)者指明了方向，更勾勒出未來能源變革的清晰路徑。在他看來，“做個(gè)好學(xué)者，研究真問題”不僅是學(xué)術(shù)追求，更是服務(wù)國家戰(zhàn)略的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

這種科研理念正轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)中的綠色能源變革圖景。孫曉明描繪的未來海上能源藍(lán)圖已漸次展開：碧波之上，風(fēng)電與光伏協(xié)同發(fā)電，電解海水裝置將浩瀚海洋轉(zhuǎn)化為綠氫“生產(chǎn)車間”，通過管道或儲罐將零碳燃料輸送至遠(yuǎn)洋貨輪或港口工廠，推動(dòng)航運(yùn)、冶金等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全流程低碳轉(zhuǎn)型。在碳稅成為國際競爭工具的背景下，綠氫不僅是技術(shù)突破的產(chǎn)物，更是打破貿(mào)易壁壘、贏得綠色發(fā)展主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵抓手。隨著催化劑壽命提升、模塊化設(shè)計(jì)成熟、多能耦合系統(tǒng)落地，這片“海上綠氫藍(lán)?！闭龔睦硐胝者M(jìn)現(xiàn)實(shí)。如今，綠色能源的未來，正隨著每一度綠電、每一千克綠氫的誕生，悄然改變著能源結(jié)構(gòu)的基因，書寫著屬于這個(gè)時(shí)代的“雙碳”答卷。

孫曉明簡介：

北京化工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。2000年和2005年于清華大學(xué)化學(xué)系獲理學(xué)學(xué)士和理學(xué)博士學(xué)位。2008年在斯坦福大學(xué)完成博士后研究回國，進(jìn)入北京化工大學(xué)化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作。2011年獲國家自然科學(xué)基金杰出青年基金資助，2019獲年中組部萬人計(jì)劃領(lǐng)軍人才。主要從事無機(jī)納米材料化學(xué)研究，在電解水、燃料電池和氣體超浸潤電極器件領(lǐng)域取得進(jìn)展。目前已在Nature, Nat. Catal., Joule, Chem, Nat. Commun., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res.等國際能源材料與化學(xué)主流刊物以通訊作者發(fā)表論文200余篇，引用數(shù)三萬余次；出版專著一本。申請國際專利13項(xiàng)，獲授權(quán)3項(xiàng)；獲國家發(fā)明專利授權(quán)80余項(xiàng)，近10項(xiàng)已經(jīng)完成轉(zhuǎn)化。曾承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金國際（地區(qū)）重點(diǎn)合作項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。

【責(zé)編 李媛】