隨著全球應對氣候變化和能源轉型的壓力日益加劇🫴🏼，綠色氫氣作為一種高效、可持續的能源載體💇‍♂️，越來越受到關註🪚。在綠色氫氣的生產過程中，PEMWE電解水（質子交換膜電解水）技術是當前最為前沿的技術之一，其高效分解水產生氫氣的能力使其在全球綠色氫能的產業化進程中占據重要地位。

然而，PEMWE技術的廣泛應用仍面臨幾個技術瓶頸，其中最主要的挑戰之一便是催化劑👚。PEMWE依賴於析氧反應（OER）催化劑，這一催化過程的效率直接決定了整個電解水反應的能效與經濟性。目前，銥及其氧化物（IrOₓ）是唯一可以在PEMWE高酸性環境下穩定工作的催化劑。作為一種貴金屬，銥價格昂貴，且在地殼中儲量極為有限，目前地球上已探明的銥儲量僅6400噸🦖，這對大規模部署PEMWE電解水系統構成了巨大的經濟障礙☎。同時，銥基催化劑的催化活性和穩定性尚無法滿足未來綠色氫能產業的需求。

在“麻球”上“種芝麻”的想法提出後🧗🏼‍♂️🙏🏽，還需要理論計算團隊與實驗團隊的合作🖇，才能讓應用場景真正落地。

在PEMWE電解水製氫系統中，需要通過嚴密的理論計算讓“麻球”生長的速度和表面“芝麻”生長的速度相匹配，才能使其恰好達成一半在外一半嵌入的效果。否則👳🏽‍♂️💭，如果二者的生長速度失衡🏊🏼‍♀️，可能導致兩種情況：一是“芝麻”被“麻球”全部吞掉，喪失催化活性🖲🥯；二是“芝麻”只粘附了一點，導致脫落風險增加🙆🏿。為了得到兩者之間匹配的生長速度，化學系徐昕教授團隊基於“快慢過程分離”的原則，自主研發了高效算法，實現了百萬原子級催化劑在數小時內生長過程的精確理論模擬。理論仿真結果表明，載體高能面的持續生長是將“芝麻”恰好嵌入“麻球”的關鍵。

實驗上🏫，尖端科研儀器的應用，使得催化劑合成生長過程能夠“眼見為實”👨🏻‍🌾。基於張波團隊提出的假設，利用冷凍透射電鏡(CryoTEM)以及冷凍斷層掃描技術（CryoET）,沐鸣开户徐一飛青年研究員通過時間分辨的合成過程👋🏻，清楚地看到“芝麻”顆粒怎麽長大、怎麽嵌入。

團隊對催化劑在溶液中的形成過程及最終形貌進行了原位高分辨三維觀測，有效確認了該合成策略的有效性。得到實驗結果與理論全原子動力學蒙特卡洛（KMC）模擬相互驗證，確認了載體和催化劑生長速度的匹配是將“芝麻”嵌入“麻球”的決定性因素（圖4）。

對該催化劑進行長達6000小時的PEMWE工況測試結果表明，合成的嵌入式催化劑有效地防止了銥顆粒的溶解、脫落和團聚🎈🐻，顯著提高了催化劑在長期運行中的活性和穩定性。具體來說💿，在綠氫製備的工業級電流密度（3 A/cm²）下，該催化劑的電池電壓低至1.72 V，電壓衰減率僅為1.3 μV/h🪀，膜電極中的貴金屬負載總量僅為0.4 g/cm²（圖3），全面超出美國國家能源局設計的2026年國際指標。根據實驗結果估算，由此製備出來的產品壽命高達15年以上🐐🧗🏿‍♀️。

該成果的三年研發過程，讓張波感受到學科交叉合作的重要性：“團隊協作相當重要，就像一個水桶，只有每塊板都很長🧎🏻‍♀️，拼出來的水桶才足夠高。不同學科背景的團隊發揮所長、共同攻關，最終方能解決復雜問題。”

2020年9月，中國提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。根據國際能源署（IEA）的預測，到2050年，全球氫氣需求將達到約億噸以上💞，其中大部分來源於綠色氫氣。本次研究成果將為實現我國以及全球碳中和目標提供關鍵技術支撐。

作為國內最早從事電解水研究的團隊之一，張波團隊持續探索電解水催化機理🐏🧏🏻‍♂️、推動產學研融合多年👄。“電解水製氫系統上接規模化的光伏風電儲氫，下接工業深度脫碳👏🏻，關系到國計民生🌭，可以滲透到社會生產生活的方方面面。”張波認為🤎。

圖5. 張波教授團隊合影

在上遊產氫端，風力、光伏發電與核電🧕🏻、火電的一個重要區別🪆，在於受到季節和氣候限製🛩，是間歇式發電🎽，不能直接並入國家電網✌🏻，而電解水製氫系統可以彌補這一短板，將多余電能及時轉化為化學能⭕️，實現跨季節、規模化的柔性儲能。比如🛜🤼‍♀️，在夏天能量較多時，可以將電能變成氫氣儲存起來，想用電能的時候再將能量釋放出來。

在下遊脫碳端😅，二氧化碳可以和氫氣結合變成甲醇🤶、乙烯等各類化學品🕉。從這個角度，工業上有二氧化碳排放的行業，例如水泥、鋼鐵、石油加工、煤化工等，都可以運用電解水製氫系統產生綠氫😙🧏🏻‍♀️，耦合二氧化碳變成高附加值化學品🙋🏽‍♂️，推動整個工業深度脫碳。

當前，由於催化劑成本較高🤌🏻👷🏿‍♂️，PEMWE電解水製氫技術在國內只有3%的市場🎻，而國外則達到了47%。在本次成果基礎上，張波團隊將致力於將基礎研究與產業應用緊密結合👩🏽‍🎤，聯合企業開展成果轉化，提升國內PEMWE技術的市場份額🫶🏻，助力電解水行業降本增效💂🏿。

圖6. 高通量多通道電解槽測試系統

長遠來看，隨著PEMWE技不斷發展⭕️👳🏻‍♀️，氫氣的應用領域也將不斷拓寬𓀎💛，從傳統的工業領域到電動交通、分布式發電、能源存儲等多個領域🛟，氫能有望成為未來全球能源體系的重要組成部分。

未來，團隊計劃進一步基於自主建立的中試生產線以及CryoTEM、原位拉曼、全原子KMC模擬等先進研究手段，拓展低成本、高活性♚🛞、高穩定性的催化劑材料的持續研究🫃🏼，為綠色氫氣生產提供更多創新方案，並進一步優化PEMWE系統的其他組件🙍🏻‍♂️，提高系統整體性能和經濟性。

“服務國家重大戰略，推進全球能源綠色化，是我們團隊一直以來的夢想。”張波期待地說🙇🏼‍♂️，希望科研成果不僅上“書架”♣️，更能上“貨架”🧑🏽‍🦱⚪️。