CAPist-L1，材料呈现多孔的透气结构
氢气
无疑是清洁、高效、可持续的能源
它的燃烧，只产生水
而且
氢气燃烧产生的热量
是天然气的2.56倍
是普通汽油的2.95倍
氢原子无处不在
它只是被“束缚”在水中
自然界的光合作用
就有把水“拆开”的魔力
孙立成教授
而孙立成团队
二十多年来
研究并模仿这种能力
在光合作用以及清洁能源的研究上
实现了诸多突破
如Ru-bda新型催化剂的开发
解密光合作用“椅子魔术”的关键一环
等等
学过初中化学都知道
电解水可以产生氢气和氧气
但这个过程
需要催化剂
低温电解水制绿色氢气技术主要分为：
碱性电解槽电解水制氢（
AWE
）
质子交换膜电解水制氢（
PEM-WE
）
阴离子交换膜电解水制氢（
AEM-WE
）
通俗讲
AEM-WE
系统由阴离子交换膜隔开
让氧气和氢气在不同的电极处产生
阳极催化剂那一侧产生氧气
阴极催化剂那一侧则产生氢气
但是，阳极侧OER催化剂
却难以在大电流密度条件下
维持高活性和高稳定性
而化学反应必须守恒
假设水变成两
份
氢气的话
同时也会生成一份氧气
所以，阳极催化剂的催化效率问题
电解水实验装置（CAP）
2022年4月
彼时在CAP做博士后的
李志恒
在一次利用浸泡法制备镍铁基OER催化剂时
不小心把乙醇（酒精）当作去离子水使用
结果发现在泡沫镍上长出来的催化剂
OER性能居然非常不错
李志恒诧异之下
他闻了闻加错的试剂
心想：
我没喝酒，肯定是你“喝酒”了
他们把样品拿到电镜下
发现这种催化剂如同花朵一样层层叠叠
孙立成教授当时就给它取名为
“绣球花”
孙立成教授凭借经验判断
这种层叠结构很可能有不错的催化稳定性
CAPist-L1催化剂的“绣球花”结构
但为什么会这样？
这让李志恒非常困惑
此时，另外一位博士后
林高鑫
加入
一起进行理论层面的探索
通过查找文献知道
催化剂的原料之一硫酸亚铁
溶于水，但却几乎不溶于乙醇
研究团队猜测
正是这种难溶特性
造成了硫酸盐在乙醇和水混合溶液中的析出
形成了含纳米级不溶颗粒物的
非均匀形核液相体系
这为催化剂晶体的生长
提供了最初的“核”
其实
大自然深谙这个过程
例如雨、雪、冰雹等的形成
也需要诸如灰尘作为相变所需的“核”
非均匀形核液相体系如何
在泡沫镍基底上“生长”出催化剂
是优化制备方案
并在机制上进一步探明
他们用异丙醇代替酒精
进一步完善了
这套非均匀形核体系
更难的在于机制研究
面对OER催化活性和稳定性
远超预期的测试数据
课题组内部的讨论尤其热烈
甚至怀疑过是不是仪器出问题了
面临的挑战也许刚刚开始
李志恒这样比喻：
“我们就像海尔兄弟，
李志恒（左）和林高鑫（右）
研究团队通过对
CAPist-L1成分、结构和形貌等逐项分析
电子显微镜下的CAPist-L1
可以明显观察到过渡层（标记为红色）
随着研究的深入
更有趣的发现出现了
过渡层并非在催化剂形成初期产生
而是在浸泡4 小时后
才开始缓慢出现……
这相当于
先建了一栋房子然后再打地基
但却十分牢固
研究团队分析认为
非均匀形核液相体系中的纳米颗粒
在最初的催化剂生长后
继续在边界处的狭小空间里
辅助生长出致密的晶体结构
过渡层
随着时间生长的示意图
（红色部分为后期标注）
CAPist-L1的制备过程简单、成本低廉
将泡沫镍浸入准备好的
非均匀形核液相体系中
在25 °C条件下浸泡24 h
取出后用去离子水冲洗干净
烘干后即得到
性能方面
从2022年5月份开始
在1000 mA
cm
-2
的电流密度下
一直运行到2024年8月份
至今还未出现衰退的迹象
其催化效率和稳定性
远优于现已报道的催化剂
研究团队将CAPist-L1
作为阳极催化剂进一步实际应用到了
阴离子交换膜电解水制氢中
在
60 °C
及以上运行条件下
展现出超过美国能源部
指标的制氢活性
（1.8 V, 2000 mA
cm
-2
）的性能
这意味着
阴离子交换膜电解水制氢的短板
终于被补上了！
阴离子交换膜电解水制氢 示意图
CAP合影
左一为中心主任、中国科学院院士孙立成教授
