納米世界裡打造綠氫制備“高速路”

——2025年度河北科學技術獎巡禮（二）

4月23日，河北科技大學能源與環境催化實驗室李發堂創新工作室，李發堂（左一）與團隊成員討論實驗細節。本報記者 常方圓攝

4月23日，河北科技大學能源與環境催化實驗室李發堂創新工作室，一份白色粉末被仔細封裝，准備寄往南京林業大學。

“這是我們自主研發的鈦酸鋇新材料，對方學校想得到一些樣本。”河北科技大學副校長李發堂說，團隊剛合成出這種新材料時，幾乎每周都能收到來自國內外高校、科研機構的郵件咨詢，目前已為近百家機構提供樣本。

看似普通的粉末，為何受到全球學術界關注？

“我們在國際上首次成功合成10納米鈦酸鋇顆粒，打破了科學界一項50多年的傳統認知。”李發堂說，這種新材料有著廣泛的應用前景，比如海水制氫，以它為催化劑，壓電催化分解水制氫，可將產氫活性提升130倍。

壓電催化是利用催化劑，直接將機械能轉化為化學能。如果將這種方式用在制氫方面，無需供電，不受晝夜、天氣限制，把過去難以利用的海洋低品位機械能轉化為綠色氫能，為碳中和提供全新技術路徑。但相關技術尚不成熟，效率很低。

“我們正在研發一款設備，放置到海裡，利用海水的涌動就能制氫。”李發堂解釋，讓海水接觸催化劑，在其表面發生催化反應，從而將水分解成氫氣和氧氣。

而找到一種高效催化劑，則成為推動這種技術走向規模化應用的關鍵。

在催化反應中，電子轉移是實現能量轉換的核心機制之一。想要提升效率，關鍵在於如何讓電子產生得更多、遷移得更快。瞄准這一難題，李發堂團隊開始了在納米世界裡的探索。

團隊首先從調控催化劑相結構入手，為電子反應創造更多空間。

“我們偶然發現了一種體相拓扑結構，讓材料顆粒大小從常見的100多納米降到了10納米，且壓電性能不降反升。”回憶當時的場景，李發堂創新工作室成員、河北科技大學副教授蘇然語氣裡仍帶著興奮。

電子顯微鏡下，一個個鈦酸鋇顆粒如一粒粒黑色豆子，密密麻麻整齊排列——他馬上意識到，團隊可能撞開了“一扇門”。

“從20世紀70年代起，學術界就有‘壓電粉體活性會隨粒徑增大而增強’的傳統認知。而我們的實驗打破了這個定論。”蘇然說。

打破傳統，重塑認知，蘇然口中一句簡單的“偶然發現”，背后藏著3年時間內5000余次實驗失敗。

合成鈦酸鋇的過程好比炒一盤青椒土豆絲。兩樣原料試劑鈦酸四丁酯、硝酸鋇就像青椒和土豆，此外還有多種表面活性劑作為調料。合成涉及多個環節，就像炒菜時青椒、土豆比例如何，各種調料如何選擇，以及時間、火候等如何掌握，都影響菜的口味。

新材料的合成又遠比炒菜更為精密與嚴苛，每一個環節的微小變動，都影響最終結果。5000余次的反復實驗，積累出一次“偶然發現”，但這只是新挑戰的開始。

首次合成10納米鈦酸鋇顆粒后，團隊卻一直未能成功對其進行復制。通過不斷深入研究，又經過2000多次實驗，團隊才終於摸清這種特殊結構的形成規律。

解決了讓電子更多的問題，又該如何讓電子“聽話”，遷移得更快？

催化反應在催化劑表面進行，一般通過構建表體缺陷來實現對電子的調控。就好比在擁擠的道路上，設置一些引導標志和專屬通道，讓電子這輛“小車”不再四處亂闖，而是沿著設定的路線快速移動。

就在李發堂團隊的研究進入關鍵時期之際，一位加拿大院士在國際高水平期刊《德國應用化學》發表了相關文章，研究內容與其相同，且得出了“表面氧空位誘導無序化”的結論。

“我看到這篇文章時特別泄氣。權威專家已經做過了，我還有必要做嗎？”蘇然說，他找到李發堂，提出放棄研究。

李發堂卻攔住了他：“做科研不能跟風、不能盲從，要有自己的原創性，更要耐得住冷板凳。”

更重要的是，李發堂根據前期實驗判斷，加拿大專家得出的結論可能並不准確，最終的答案應該是“定向有序”，而非“雜亂無序”。

又是一次挑戰權威，又是數千次的實驗，最終團隊成功找到了表面重構誘導晶格畸變的材料合成新方法，並把論文投稿至《德國應用化學》。“刊發特別順利，短短兩周就收到了回復，對方十分認可我們研究的價值。”蘇然說。

除了分解水制氫，李發堂團隊的研究成果還為解決我國高端電子陶瓷粉體的技術瓶頸奠定了基礎，在環境修復、生物醫學等領域也有廣泛應用前景。他們的研究或許將很快走進日常生活：將適合材料附著到滾筒洗衣機內壁，可實現高效殺菌效果。

不僅是關於鈦酸鋇的新發現，團隊在表體相結構調控及其增強電子活性機制的研究上已深耕近20年，取得了多項突破。

4月22日，李發堂團隊的研究繼獲得2016年度河北省自然科學獎一等獎之后，再次獲得2025年度河北省自然科學獎一等獎。

實驗室內，設備的嗡鳴聲未曾停止，團隊成員仍在納米世界裡探索，尋找更高效的新材料。（記者常方圓）