北京化工大学教授孙晓明，以“把论文写在祖国大地上”为信念，将科研成果转化为服务国家战略、造福民生的实践力量。

碧海深处，氢能涌动。在“双碳”战略驱动下，中国可再生能源装机规模持续攀升——截至2025年3月，风电、光伏累计装机达14.82亿千瓦，首次超越火电，但电力并网消纳的全球性难题随之凸显。2025年5月，国家政策明确要求绿电直连项目自发自用电量需达60%以上，储能技术成为破局关键。其中，可再生能源电解水制氢以其长时储能特性脱颖而出，成为全球竞相布局的“新赛道”：2024年全球新增产能超7万吨/年，中国以63%的占比领跑全球。

在这场能源革命中，北京化工大学孙晓明团队的研究成果尤为瞩目。2025年3月，他们在《Nature》发表电解海水制氢技术突破，为波动性绿电“驯服”海水提供了中国方案。当“伏羲一号”海上平台电解槽吐出第一缕99.999%纯度的绿氢，孙晓明带领团队与氯离子缠斗15年的科研长征，终于在波涛中结出硕果。

从破解风电光伏间歇性供电的致命痛点，到让海水从“腐蚀源”变为“制氢助手”，孙晓明带领团队在绿氢制备领域实现阶梯式突破：早期开发金属氧化物催化剂、首创“气体超浸润电极”概念，进而破解海水电解的氯离子腐蚀难题，最终研发出全球首个抗波动运行1万小时的电解海水制氢技术。这项突破不仅用三层动态防护的“分子铠甲”突破电极寿命极限——在模拟风电波动的12小时启停循环中实现寿命提升20倍，更以模块化撬装设计征服海洋环境，将设备体积压缩40%，抗12级台风，24小时快速部署。从实验室克级材料到吉瓦级产线投产，他们构建起从基础研究到产业化的完整闭环，推动绿氢成本逼近煤制氢的临界点。

在科研这条道路上，孙晓明始终坚守“做个好学者，研究真问题”的原则，将个人学术兴趣与国家战略需求紧密相融，以“十年磨一剑”的治学精神践行“把论文写在祖国大地上”的誓言。2025年，孙晓明团队的成果登上《自然》期刊，《自然 化学工程》评价其为“在间歇条件下水电解取得的重大突破，解决了在这种条件下维持电解槽稳定性的关键问题。”而这项技术已在深圳氢致能源公司的兆瓦级装备上稳定运行超过600天。

此刻，孙晓明办公室墙上那幅标记着数十个海上制氢平台的特殊地图，早已不是简单的项目坐标——那是中国科学家书写能源革命的新篇章。

氢能破储能困局 材料创新辟新径

在“双碳”目标驱动下，中国风电、光伏发电装机容量已居全球首位，但局部地区弃电率超5%的问题凸显，构建新型电力系统亟需破解储能难题。对于大型风光电站而言，传统电池型电化学储能技术因资源消耗大、长周期储能能力不足，难以适配电网级规模需求。在此背景下，氢化学储能以“跨时空调节”和“多场景消纳”的独特优势，成为破解可再生能源消纳难题的关键路径。

氢能兼具能源与物质双重属性，其长周期储能特性可实现夏季光伏余电或冬季风电过剩电力向数月后的需求高峰转移，填补传统锂电池以“天”为周期的储能空白。更关键的是，氢能作为“万能转换器”，既能通过电解水实时消纳风光发电的波动性输出，降低电网调峰压力；又可作为零碳燃料或化工原料，构建“风光电-绿氢-零碳工业”全链条，破解可再生能源“孤岛效应”。从战略层面看，绿氢更是工业、冶金等难脱碳领域的核心解决方案，例如化工行业使用绿氢替代化石燃料生产甲醇可降碳80%以上，钢铁行业采用绿氢还原铁矿石可实现“零碳炼钢”，与中国“双碳”目标高度契合。

实现绿电与绿氢深度耦合的关键在于电解槽技术突破。当前工业化应用的电解槽主要分为酸性（PEM）和碱性（ALK）两类，前者依赖贵金属（如Pt、Ir），规模化推广可能面临贵金属资源限制；后者虽不依赖贵金属，但传统碱性电解槽需稳定电源，难以适配波动性绿电。孙晓明教授团队瞄准碱性电解海水技术，针对其“无法下咽垃圾电”的痛点展开攻关。研究发现，波动性电力下电解槽阴极活性衰减是核心问题——停机时反向电流及跨膜溶解氧会导致阴极氧化失效。传统解决方案通过设备改进或工艺调整减轻影响，但未能根治材料抗氧化问题，且增加成本。

孙晓明团队在2025年《Nature》发表的成果中，提出“原位构建多层钝化结构”的创新方案。其开发的NiCoP-Cr2O3电极在间歇电解过程中，停机时自动生成三层钝化结构，有效抵抗反向电流氧化、自放电等问题；Cr2O3层还能阻隔跨膜溶解氧对阴极的过度氧化。更巧妙的是，钝化层在重启时通过施加负电位可还原为原始晶相，实现“自我修复”。

实验数据显示，该电极在0.5A/cm2工业高电流密度下，过电位仅250mV，连续启停10000小时后电压几乎无增长，寿命较传统电极提升10倍以上。此外，中间磷酸盐层显著提高氯离子对金属Ni位点的吸附能，使碱性盐水中电极寿命从500小时延长至10000小时以上，解决了“盐腐蚀”难题。目前该技术已在中广核“伏羲一号”海上平台落地，成功适配风电18%~150%负荷调节，即使在台风导致频繁启停时，仍保持99.999%氢气纯度和85%以上综合能效，验证了其工程可行性。

值得关注的是，孙晓明团队此前还提出“动态调控Ir-Cl配位”策略，突破传统海水电解“排斥Cl-”的思维定式。通过利用海水中Cl-与Ir活性位点的强配位特性，优化中间体吸附能并降低反应能垒，显著提升碱性海水环境中阳极析氧反应（OER）活性和选择性。这一创新相当于给催化剂装上“智能阀门”，实现“活性-稳定性”的平衡，使碱性海水电解能耗较纯水电解降低近30%。正如孙晓明的比喻，该技术让海水与制氢“化敌为友”，使电解技术对水质不再挑剔，含盐脏水也可直接制氢。 

孙晓明团队通过材料创新，不仅解决了碱性电解海水技术适配波动性绿电的世界级难题，更推动了电解水制氢从“被动耐蚀”向“主动调控”的思路革新。这些突破为构建“电氢协同”的新型能源体系提供了关键支撑，有望加速全球能源结构向零碳转型。

绿氢攻坚降成本 技术领航向未来

当前，全球能源转型浪潮下，绿氢作为连接可再生能源与工业脱碳的关键载体，其大规模商业化进程备受关注。然而，尽管风电、光伏发电电解海水制氢被视为未来绿氢生产的重要方向，其成本与传统化石燃料（如煤）制氢仍存在显著差距。

据孙晓明介绍，目前风电、光伏电解海水制氢成本约为3-4美元/kg，而传统化石燃料（如煤）制氢成本仅1.5美元/kg，这一差距主要源于电价偏高、催化剂寿命不足及系统规模化程度较低。以中国为例，当前每年3600万吨的氢需求中，大部分为煤制灰氢，成本约10元/kg，虽能满足炼油等低纯度需求，但若用于燃料电池或高端冶金领域，需进一步提纯至99.999%，提纯成本超3元/kg，叠加未来碳税后成本将更高。相比之下，当绿电成本降至0.15元/kWh时，绿氢成本可压降至10元/kg且纯度达标，显示出其降本潜力。

绿氢商业化进程的制约因素主要体现在三方面：一是催化剂耐久性不足，高盐环境下电极寿命仅1-2万小时，更换成本占设备总支出30%以上；二是系统集成效率偏低，传统电解槽在大规模制氢时存在活性位点分布不均、能耗升高等问题；三是电价与政策支持体系待完善，风电、光伏平均电价约0.4元/kWh，较火电仍有差距，且绿氢尚未纳入碳交易等市场化补偿机制。

针对上述瓶颈，孙晓明团队提出了三条技术路径：其一，通过“多层钝化结构”“配位工程”等技术将催化剂寿命提升至8万小时（目标2030年），降低材料更换频率；其二，采用撬装式模块化设计实现5MW级装备规模化生产，预计降低制造成本30%以上，同时提升海上平台空间利用率；其三，推动风光电价降至0.2元/kWh以下，并探索“绿氢置换碳配额”机制，通过政策与电价协同提升项目经济性。这些措施若落地，绿氢成本有望接近10元/kg，加速其商业化进程。

值得关注的是，孙晓明团队在工程实践中已实现多项突破。在实验室催化剂的工程化集成方面，团队通过等离子喷涂、液相合成等技术，解决了大面积电极均匀性控制难题，并结合“流场均匀性设计”优化电解槽流体场，避免局部过载导致的性能衰减；在动态工况适应性上，开发智能控制系统，实时调节电流密度与电解液流速，将局部过热和腐蚀风险降低70%。 

此外，模块化撬装设计使装置体积缩小40%，安装时间从两周缩短至24小时，支持多模块并联扩容至百兆瓦级，适应海上风电集群需求。针对海上盐雾腐蚀问题，团队从材料革新与环境改造双管齐下，优选防腐涂料并开发高通量腐蚀离子过滤器，同时通过余热利用脱盐技术解决海水电解盐积累问题，将综合能源利用率提升至90%以上。这些技术已在真实海况下验证，连续运行超1000小时性能衰减小于1%，氢气纯度稳定在99.999%以上，为海上绿氢装备规模化应用奠定了基础。

在能源结构转型的大背景下，风电与光伏在电解海水制氢中的角色互补性日益凸显。风电因单机容量大、输出稳定，适合支撑大规模制氢装置，但风速波动对电极耐久性提出挑战，团队开发的“多层钝化结构”技术有效提升了电极抗疲劳能力；光伏则凭借分布式部署灵活的优势，适配海上平台碎片化空间，但功率波动范围大（20%-100%），团队研发的宽功率电解工艺确保了低负荷段制氢效率与安全性。

未来，电解海水制氢将呈现三大趋势：一是多能耦合一体化，推动“风光储氢”与潮汐能、波浪能深度融合，构建综合供能系统；二是材料国产化与低成本化，加速非贵金属催化剂研发，降低对进口贵金属的依赖；三是智能化与无人化升级，通过AI诊断系统实现故障预警与预测性维护，适应海上无人值守场景。

孙晓明说，总体而言，风电与光伏并非“二选一”，而是通过技术适配与协同，共同推动海上“绿电-绿氢”一体化从示范走向规模化，为“双碳”目标提供海洋能源解决方案。

孙晓明的科研理念与实践，为青年学者指明了方向，更勾勒出未来能源变革的清晰路径。在他看来，“做个好学者，研究真问题”不仅是学术追求，更是服务国家战略的责任担当。

这种科研理念正转化为现实中的绿色能源变革图景。孙晓明描绘的未来海上能源蓝图已渐次展开：碧波之上，风电与光伏协同发电，电解海水装置将浩瀚海洋转化为绿氢“生产车间”，通过管道或储罐将零碳燃料输送至远洋货轮或港口工厂，推动航运、冶金等领域实现全流程低碳转型。在碳税成为国际竞争工具的背景下，绿氢不仅是技术突破的产物，更是打破贸易壁垒、赢得绿色发展主动权的关键抓手。随着催化剂寿命提升、模块化设计成熟、多能耦合系统落地，这片“海上绿氢蓝海”正从理想照进现实。如今，绿色能源的未来，正随着每一度绿电、每一千克绿氢的诞生，悄然改变着能源结构的基因，书写着属于这个时代的“双碳”答卷。

孙晓明简介：

北京化工大学教授，博士生导师。2000年和2005年于清华大学化学系获理学学士和理学博士学位。2008年在斯坦福大学完成博士后研究回国，进入北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室工作。2011年获国家自然科学基金杰出青年基金资助，2019获年中组部万人计划领军人才。主要从事无机纳米材料化学研究，在电解水、燃料电池和气体超浸润电极器件领域取得进展。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.等国际能源材料与化学主流刊物以通讯作者发表论文200余篇，引用数三万余次；出版专著一本。申请国际专利13项，获授权3项；获国家发明专利授权80余项，近10项已经完成转化。曾承担国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金国际（地区）重点合作项目、国家重点研发项目等多项科研项目。

【责编 李媛】