當“雙碳”目標成為時代命題，構建清潔低碳、安全高效的新型能源體系不僅是戰略選擇，更關乎人類未來。
在這場能源革命中，兼具催化和分離功能的催化膜，是電解水制氫、膜反應器、燃料電池等領域的核心，其性能、壽命與成本，關乎能源系統的成敗。
中國科學院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱青島能源所）研究員江河清深耕催化膜技術多年，帶領團隊在催化膜的“材料-結構-工藝”上不斷突圍，創新材料配方、攻克批量制備難關，研制出能實現“反應/分離/反應”一體化及高效水分解制氫的核心器件。
江河清（中）指導團隊成員做實驗。 受訪者供圖
靈感總在山重水復處
水分解制氫，因其產物僅為氧氣和氫氣，被視為理想的綠色制氫路徑。然而，無論是光催化還是熱催化水分解制氫，都受制于反應平衡常數太小。
2008年，在德國漢諾威大學攻讀博士學位的江河清，專注于高效水分解催化劑的開發。然而，無論他如何優化催化劑結構，產氫效率始終難以突破理論瓶頸，實驗一次次陷入僵局。
轉機出現在一個冬夜。在一次實驗失敗后，他凝視著水杯上方升騰的蒸汽，一個靈感閃現：如果能利用一種耐高溫的氧滲透膜持續地將水分解產生的氧氣移除，不就能夠打破反應平衡限制，提高氫氣產率嗎？
說干就干！江河清創新性地在氧滲透膜兩側構筑催化層形成催化膜，打造出獨特的“催化膜反應器”，一舉將高溫水分解、氧分離與甲烷部分氧化巧妙耦合。
實驗結果令人振奮——900攝氏度條件下，產氫量遠高于傳統熱解水制氫。自此，江河清提出的基于催化膜的“反應/分離/反應”一體化耦合策略受到國內外同行和能源企業的關注。
2013年，江河清懷揣著自主創新的初心，踏上歸國路，加入了青島能源所。彈指間，已歷經十二個春秋。
如今，他正帶領團隊錨定氫能產業核心需求，以突破催化膜電極為目標，構建起貫通“基礎研究-關鍵技術-示范應用”的創新鏈條，以期產出一批國產關鍵材料和核心技術與裝備，支撐氫能產業高質量發展。
打造綠色制氫方案
身為“國家人”，要心系“國家事”、肩扛“國家責”。面對化石能源的清潔高效利用及其與可再生能源融合發展的迫切需求，2023年，在研究所的大力支持下，江河清牽頭成立了功能膜與氫能技術研究中心，聚焦于催化膜電極的關鍵材料和可控制備技術，開展應用基礎研究，進一步通過產學研用模式，實現科技成果的轉移轉化，將論文寫在祖國大地上，將技術送進工廠里。
然而，從實驗室到生產線，科技成果轉化之路并非坦途。多層催化膜電極在嚴苛的制氫環境下，飽受穩定性差、催化層易剝落的困擾。“這就像造房子，地基不牢，再好的設計也白搭。”團隊成員、青島能源所研究員賀廣虎道出了技術攻關的關鍵卡點。
更考驗定力的是，當看到同行在“短平快”課題上捷報頻傳，團隊內部人心浮動。這份坐“冷板凳”的定力，正經歷著嚴峻考驗。
“坐不住了？覺得我們太慢了？”一次組會上，洞悉了大家情緒的江河清說，“做科研，尤其‘啃硬骨頭’，就得有‘十年磨一劍’的定力。科研人要解決國家需要的‘真問題’！”
經過反復實驗驗證，江河清團隊最終提出了界面反應誘導自組裝制膜技術。與傳統制膜工藝相比，該技術能夠在支撐層上原位構筑厚度僅1微米的氧離子傳導薄膜，而且這層薄膜與支撐層之間具有強相互作用，能在減少氧離子傳輸阻力的同時，有效避免薄膜分層或剝離，顯著提高多層結構催化膜的分離性能和穩定性。
基于此，團隊將高溫水分解與工業副產氫氧化反應完美耦合于膜兩側，開發出一種具有“化學置換”特征的新型催化膜提純氫氣技術，該技術展現出優異的穩定性和制氫性能。
“樹的影子再長，根永遠扎在土里。”江河清說，“我們的科研要始終服務于國家和人民，讓實驗室的膜真正變成支撐行業的產品。”
攻克大面積制膜技術
催化膜電極的可控批量化制備，是其邁向工業應用的必經之路。提起這段征程，江河清坦言“走了不少彎路”。
與小尺寸膜樣品不同，大面積催化膜的制備是一個復雜而精細的工藝過程，需要嚴格控制漿料配方、成型條件、燒結工藝、后處理條件等。建組初期，受限于科研經費和場地，團隊只能從優化漿料配方、工藝參數等基礎環節入手，初期催化膜的成品率低，重復性和可控性差。
為攻克這一難關，江河清組建了攻關小隊。他們從源頭的原材料篩選開始“死磕”，精準控制制膜環境的溫度、濕度、潔凈度，建立嚴格的標準化工藝流程。隨著制膜過程的可控性全方位提升，批量制備中膜缺陷產生的概率顯著降低。
有志者，事竟成，團隊的日夜鏖戰終獲回報。催化膜的成品率從初期的50%大幅提升至95%以上，顯著降低了催化膜的成本。
與此同時，江河清團隊已將目光投向了未來。基于催化膜可控批量制備技術，目前團隊正加緊推進甲醇制氫裝置、電解堆的研發，以實現在分布式在線制氫、光伏綠電制綠氫等領域的實際應用。
《中國科學報》(2025-07-10 第3版 綜合)本文鏈接：江河清：以“膜法”革新叩響低碳大門http://m.sq15.cn/show-11-23171-0.html
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