科学家当“出题人”，打通实验室到生产的链条

张跃，中国科学院院士，北京科技大学新金属材料国家重点实验室主任，以及北京科技大学前沿交叉科学技术研究院院长，在2024年浦江创新论坛的分论坛“未来材料：交叉创新与可持续发展”上指出，投身产业领域对于科学家而言是一条充满挑战的道路，然而，这条路却是他们必须勇敢踏上的。

张跃院士。图片由主办方提供

自2020年确立“双碳”目标之后，我国全方位强化了碳减排的顶层规划，同时积极寻求各行业、各领域的低碳转型新路径，这些举措被视为达成碳中和目标的关键所在。

我国制造业中，钢铁行业的碳排放量最为突出，成为碳减排的关键领域。目前，我国钢铁工业排放的二氧化碳大约为18亿吨，这一数字占据了全国碳排放总量的约15%。在高炉炼铁这一环节，低碳发展尤为重要，迫切需要研发新的低碳炼铁技术。

氢能源被视为一种理想的环保能源，对于满足我国重大战略需求、破解全球“碳中和”难题具有重要意义。通过构建以氢冶金技术为核心的新冶金生态体系，可以加快钢铁产业的绿色化进程。然而，随着钢铁行业对氢能源需求的不断增长，如何确保氢能源的绿色、高效、稳定供应，并实现低成本，成为了一个亟待解决的问题。

电解水生产出的绿色氢能，相较于灰氢和蓝氢，在减少碳排放方面具有明显优势。据预测，到2060年，电解水制取的绿色氢能需求量将达到一亿吨，这一数字将占我国氢能市场总量的80%以上。然而，目前绿色氢能的价格仍然较高，而且制氢所需的电能消耗依然是阻碍其取代传统灰氢的主要障碍。

目前，在中国绿氢市场，碱性电解水制氢技术占据主导地位。然而，作为绿氢装备中碱性电解槽的核心部件，催化组件的活性与稳定性等方面存在诸多挑战。这些问题严重限制了装备在制氢单位能耗、电流密度极限以及服役稳定性等关键性能指标上的突破。

在过去的十多年里，张跃团队针对电解水制氢催化材料的活性位点进行高效设计，对催化优势反应路径实施精准调控，并对催化服役界面传质行为进行高效管理，围绕这些关键科学问题进行了深入研究。他们不仅从实验室的科学前沿出发，还探索了工业化复杂服役条件下的全流程，不断攻克了稳态、亚稳态以及完全失稳反应条件下的科学前沿、应用基础和工程技术难题。

在促进纳米催化组件产品的研发与升级过程中，该团队依托于纳米材料和技术，成功研发了一系列具有革命性的纳米技术催化组件升级产品，同时，他们还设计、研发并建立了我国首条纳米催化组件的智能生产线，实现了催化组件从实验室研究到大规模生产的全过程技术突破。

当前，纳米催化组件产品的装机性能指标持续提升，其稳定服役寿命显著增长，成功实现了在制氢设备中低成本、高性能以及高稳定性的完美结合，不断促进制氢设备的成本降低和效率提升，大幅减少了制氢的电力成本，千立方米级别的单槽设备每年可节省超过200万千瓦时的电量，有力地推动了绿氢产业的变革进程。

在未来的发展中，纳米催化组件及整机制造技术的持续进步将有力推动制氢设备的生产成本显著下降，同时，其能耗效率也将逐步接近理论上的最高值。这一进展将不断促使绿氢价格持续走低，助力我国能源结构的绿色转型。面对这一趋势，张跃充满信心。