一款新型催化材料被浸在堿性水中，表面源源不斷地產(chǎn)生氣泡，它已經(jīng)在大電流密度下穩(wěn)定工作了19000小時(shí)。也就是說(shuō)，兩年多時(shí)間過(guò)去了，這個(gè)小小方塊毫無(wú)衰退的跡象。

這是陰離子交換膜電解水制氫（AEM-WE）的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。此前，AEM-WE技術(shù)受制于氧氣析出反應(yīng)，催化劑難以在大電流密度下維持太久，一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。西湖大學(xué)人工光合作用與太陽(yáng)能燃料中心（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“中心”）孫立成教授團(tuán)隊(duì)在這一材料上獲得重大突破，成功合成可用于電解水制氫的非貴金屬催化劑——CAPist-L1，其催化效率和穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于已公開(kāi)報(bào)道過(guò)的催化劑，相關(guān)成果近日發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》上。

孫立成團(tuán)隊(duì)在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了二十多年探索，沒(méi)想到一次實(shí)驗(yàn)中的意外，神奇地完成了“助攻”，成了上天眷顧的“臨門(mén)一腳”。時(shí)間拉回到2022年4月，當(dāng)時(shí)在中心做博士后的李志恒，在一次利用浸泡法制備催化劑時(shí)，不小心把乙醇（酒精）當(dāng)作去離子水使用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新長(zhǎng)出來(lái)的催化劑，氧氣析出性能居然非常不錯(cuò)。詫異之下，研究團(tuán)隊(duì)把樣品拿到電鏡下——發(fā)現(xiàn)這種催化劑如同花朵一樣層層疊疊。孫立成當(dāng)時(shí)就給它取名為“繡球花”，并且憑借經(jīng)驗(yàn)判斷，這種層疊結(jié)構(gòu)很可能有不錯(cuò)的催化穩(wěn)定性。

但為什么會(huì)這樣？李志恒非常困惑，與另一位博士后林高鑫一起研究。通過(guò)對(duì)CAPist-L1成分、結(jié)構(gòu)和形貌等逐項(xiàng)分析，團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)在催化層和金屬基底之間存在一層致密過(guò)渡層。正是致密過(guò)渡層的存在，將催化層牢牢地錨定在金屬基底上，提升了催化劑的活性和穩(wěn)定性。隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡層并非在催化劑形成初期產(chǎn)生，而是在浸泡4小時(shí)后，才開(kāi)始緩慢出現(xiàn)……這相當(dāng)于，先建了一棟房子，然后再打地基，卻十分牢固。

電解水制綠氫是“雙碳”背景下實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)之一?？雌饋?lái)是實(shí)驗(yàn)中的一次意外，卻讓人類(lèi)離高效制造綠色氫氣又近了一步。這背后，離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期的探索所帶來(lái)的準(zhǔn)確經(jīng)驗(yàn)判斷和敏銳的直覺(jué)。