他把实验“反着做”，发表重磅论文

9月9日，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授曾瑞以第一作者身份，在Nature发表最新研究成果。此时，距离他今年8月18日回国，才刚刚过去22天。 这项研究提出了一种电化学辅助氢移除的新策略，利用电化学方法代替传统的压力差方式，如同给氢气装上一台“电泵”，主动把氢气从混合气体中“抽出来”。结果显示，这一策略可在300℃下将氢气分离速率提升约4倍，能把1%的氢气浓缩到100%，并在250℃下让氨裂解、甲基环己烷脱氢的转化率最高分别达到约91%和94%，还实现了超100小时的稳定氢移除。 有意思的是，在开展这项研究之前，曾瑞的主线任务并不在研究脱氢策略，而是通过电化学方式加氢，把空气中的二氧化碳转化为乙烯等更有价值的化学品。 误打误撞之间，“支线”任务最终成长为“主线”成果。

▲曾瑞。 把研究思路“反着走” 时间回到2023年春节。彼时正在美国麻省理工学院化学系做博士后的曾瑞，心里却没有过年的喜悦，他已经在实验室熬了好几个通宵。 当时他接手的是一个由日本企业资助的研究项目，利用电化学钯膜反应装置，把空气中的二氧化碳转化为乙烯等更有价值的化学品。听起来似乎很简单，但实验起来却很艰难。钯膜表面的氢原子复合太快，氢原子还没来得及和二氧化碳发生反应就跑掉了，导致二氧化碳的转化效率一直上不去。他尝试了很多方法，但效果都不理想。 一天夜里，曾瑞的导师、麻省理工学院教授Yogesh Surendranath发来一条信息，事情由此迎来转机：既然加氢这条路不理想，不如把研究思路反过来，研究怎么脱氢——利用同样的装置，主动把氢气抽走，看看会发生些什么。 “当时看到这个想法，直觉上就觉得很有意思。”曾瑞回忆，查阅文献后发现，类似思路基本没有被报道过。传统脱氢的方法主要依赖压力差，利用钯膜两端的压力差，氢气被“挤”着透过膜。但这种方式受动力学限制，反应速度慢，费时间、费能量。尤其当氢气浓度很低时，想把它提纯、浓缩，就更困难。而利用电化学的方式脱氢，在领域内几乎还是空白。 于是，曾瑞决定从概念性验证做起。起初，他利用工业上较为成熟的甲烷蒸汽重整反应进行验证，天然气和水蒸气在高温反应下生成氢气和二氧化碳/一氧化碳，再利用装置原位将氢气分离出来。结果发现，脱氢效果非常好。 后来，他在一次学术交流活动中，了解到很多学者在研究氨裂解。氨裂解会产生氢气和氮气，但氢气会抑制催化剂，导致反应速率难以进一步提高。曾瑞意识到，如果能把氢气及时移除，就能有效提高反应速率；而且氨裂解体系更简单，不需要水蒸气，产物检测也更方便。 于是，他把研究思路拓展至氨裂解，以及甲基环己烷这种公认的重要氢载体。“氢气本身难以储存和运输，要么将其液化，但需要在零下两百多摄氏度储存，非常耗能；要么把氢气‘装进’氨气、甲基环己烷等化学载体中，运输到需要的地方，再释放出来。”曾瑞解释。

▲曾瑞。 250℃下脱氢转化率高达94% 在这项研究中，曾瑞和团队成员提出了一种阳极钯膜主动脱氢的新策略。他们自主设计了电化学钯膜提氢分离装置，利用电催化的方法代替传统压力差脱氢的策略。他们使用钯合金制备的薄膜，对氢气具有选择透过性，可实现高纯度氢气的分离和提纯，利用低于0.3伏特的阳极电位，如同给氢气装上一台“电泵”，让氢原子更快透过膜，从而提升转化率。 曾瑞回忆，团队花了很长一段时间去解决装置的密封性问题，这也是研究的一大难题。“因为想要实现高纯度、高效脱氢效果，研究过程中，如果有一点电解液泄漏，后续实验就会报废，需要从头再来。有时候装置不给力，实验就得做到第二天早上。” 研究结果显示，这一策略在300℃下将氢分离速率提高约4倍，实现了低浓度氢气的高效分离和浓缩，甚至可以把1%的氢气浓缩到100%。另外，将该策略用于氨裂解、甲基环己烷脱氢等脱氢体系中，其在250℃下的脱氢转化率最高分别达到约91%和94%，为低温高效脱氢及高纯氢一体化生产提供了新的技术路径。 在应用层面，针对汽车、公交与船舶等交通领域，该方法提供了一种按需制氢的装置思路，在用氢端实现更高效、更灵活地获得氢气。另外，在半导体制造、精细化工等对氢气纯度有更高要求的领域，通过钯膜透氢的策略，有望提供超纯氢平台。

▲曾瑞（右一）在麻省理工学院与课题组成员的合影。 科研没有白走的路 这项研究从2025年6月开始投稿，经过了将近14个月的时间，文章终于被接收。过程中，审稿人要求补充更长时间的稳定性数据。研究团队随即对这一脱氢策略进行了超过100小时的稳定性测试，相关结果最终获得审稿人的青睐。他们认为该研究用电化学持续抽氢来促进热化学脱氢的设计既优雅又具有普适潜力，对“电化学促进热化学脱氢”这一概念给予了高度评价。 事实上，这项研究最初只是曾瑞的支线任务，他的主线任务是开展一项由日本企业资助的研究项目。曾瑞回忆，企业看重结果，未必关心其中的科学问题，但尤其注重工程优化。“科研没有白走的路。如果没有这段经历，面对研究中涉及的装置密封性等工程问题，我可能会想很久，甚至不知道如何处理。”他说。 从美国康奈尔大学化学系博士毕业后，曾瑞进入麻省理工学院化学系从事博士后研究。一直以来，他主要研究电催化、材料设计与合成、原位表征等方向，系列成果在Nature、Nature Materials等高水平期刊上发表。 “从美国留学的第一天起，我就想着学成之后一定要回国。”谈到回国的想法，曾瑞说，直到这项研究差不多尘埃落定，他才把回国提上日程，选择加入哈工大深圳校区。“深圳的科研环境和政府支持力度都很有吸引力，哈工大深圳校区在材料等领域的高质量平台也能够很好地支撑我开展研究。” 到了深圳后，曾瑞便马不停蹄地开始了实验室筹备工作。他介绍，未来，课题组将继续深耕电化学促进热化学过程研究，探索通过电化学手段，在更温和条件下实现更高能效，改造部分传统高温高能耗反应；同时，围绕氢能、储能方向，拓展反应器或新型电解质体系。