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
否则会耗费极大的电能
根本不划算

目前

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）

其中，AEM-WE
集合了前两者的优点
被寄予厚望

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
就限制了AEM-WE的发展

而一次"错误"
却带来的神奇的突破

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

接下来的工作

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，
有问题就出发。”

 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

终于发现在催化层和金属基底之间

存在一层致密过渡层

正是致密过渡层的存在

将催化层牢牢地锚定在金属基底上

提升了催化剂的活性和稳定性

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

体系中的纳米颗粒

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

说回来

催化剂的名称为什么叫CAPist-L1？

CAP代表人工光合作用与太阳能燃料中心

ist代表催化剂系列

L取自李志恒和林高鑫的姓氏首字母

恰好都是L

1代表第一代催化剂

而新开发的非均匀形核体系

不只是用于OER催化剂

也可以开发其他类型催化剂

前段时间

科普博主毕导恰巧在西湖演讲

他说

“我喜欢科学的不期而遇。”

看起来是实验中的一次意外

让人类离高效制造绿色氢气又离近一步

但这背后

离不开实验室长期的探索

所带来的准确经验判断

和敏锐的直觉

如讲席教授孙立成所言：道法自然

机会永远留给有准备的人

CAP合影
左一为中心主任、中国科学院院士孙立成教授

关于CAP

“西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心”为西湖大学校级研究中心，成立于2020年3月，由中国科学院院士、人工光合作用领域专家、西湖大学理学院化学讲席教授孙立成博士组建，主要致力于太阳能燃料与太阳能电池科学前沿领域关键科学问题的基础研究和瓶颈应用技术的突破。

中心的研究方向包括高效分解水制氢催化剂的设计以及关键器件的集成和应用、光/电驱动 CO₂还原制备清洁燃料、光/电驱动 N₂还原合成氨、利用水作为氧源和氢源光/电驱动有机底物氧化与还原制备精细化学品、新型太阳能电池与相关催化剂/电极的耦合关键技术研发、新型捕光半导体材料及光阳极/光阴极的开发、天然光合作用释氧酶水氧化机理揭示、材料智能设计等，并力求从分子、材料等多个尺度上优化催化剂性能、理解复杂的固-气-液界面现象、调控电荷分离与传输、设计开发新型材料和催化体系实现高效太阳能转化和可再生绿色燃料及高端化学品的清洁制备。

在中心主任孙立成教授的带领下截至2024年8月，中心由5位PI，1位访问教授，1位副研究员，14位助理研究员，14位博士后，数十位科研/行政人员及博士生构成。目前下设孙立成院士牵头的太阳能燃料与太阳能电池实验室，段乐乐教授牵头的表面配位化学与能源催化实验室，张彪彪博士牵头的分子催化与分子材料实验室，王涛博士牵头的理论催化与材料智能设计实验室和杨汶醒博士牵头的光谱与催化机制实验室。