“科研不能只停留在機理研究，必須走向實際應用。”在接受《中國科學報》采訪時，深圳大學特聘教授王丹語氣堅定地說道。最近，他的團隊在《自然》上發表了重要成果。
基于過往20年在中空多殼層結構（HoMS）研究的積淀，王丹團隊成功設計出了一種具有“外護內催”微環境的新型曲面鐵單原子催化劑，顯著提升了質子交換膜燃料電池（PEMFC）的性能和穩定性，為此類電池催化劑的非貴金屬替代提供了新思路。
這項研究歷經8年攻關，曾接連被Nature、Science拒稿。回顧研究歷程，王丹告訴《中國科學報》：“這說明了中國學者完全有能力團結起來做一些大事，把基礎研究的冷板凳‘坐熱’，把大膽設想付諸實踐，變成真正能解決行業痛點的鑰匙。”
一個化學結構研究了20年
王丹的朋友圈封面圖是一個精美的“鬼工球”，它是多層空心套球結構，逐層鏤空，層層可轉，是中國傳統的雕刻藝術品。
行外人可能不知道，這種“鬼工球”的結構，與王丹過去20年來的研究方向極為相似。
2004年，從日本京都大學化學研究所做完博士后研究回國后，王丹就認準了一個方向深入研究——開創并探索HoMS的設計與合成。這在當時來說，并不算是一個熱門的研究方向。
“很多人問我，為什么專注這么一個不熱門的結構。我覺得，基礎研究不能盲目追逐熱點，而是要通過深入挖掘創造熱點。”王丹說。多年來，他與團隊圍繞中空多殼層結構材料深入探索，在能源、催化、環境、生物等領域的應用研究中均取得了重大進展，引領HoMS研究走向國際前沿。
2017年，還在讀博的趙亞松在導師王丹的指導下，開始嘗試利用HoMS解決質子交換膜燃料電池中催化劑的重要難題。作為一種理想的清潔能源裝置，質子交換膜燃料電池能通過電化學反應，將氫氣和氧氣轉化為電能、熱能和水。因其具有能量轉化效率高、無噪聲、無污染的優點，在汽車、航空、電力等領域應用越來越廣泛。
王丹（左）與趙亞松（右）。受訪者供圖
催化劑則是提升燃料電池轉換效率的關鍵。然而，當前燃料電池的催化劑以昂貴且儲量有限的鉑族貴金屬為主，不僅成本高，也限制了燃料電池的產業化規模。以鐵元素為主的非貴金屬催化劑因成本低和較高活性的特點，被視為燃料電池貴金屬催化劑的理想替代方案。然而，它們普遍面臨活性與穩定性“兩難”的問題。
“就像中國人要講究陰陽平衡，在催化領域要平衡活性和穩定性之間的矛盾。如果催化劑中的鐵元素吸附力過強，中間體就難以脫附；吸附力過弱，就沒法有效活化氧分子。”王丹解釋道。
為此，他們在燃料電池催化劑的制備中巧妙地結合了納米級HoMS，并將鐵單原子精準地嵌入多殼層結構的內層曲面上，開發出了獨特的“多層曲面鐵單原子催化劑”。
催化劑結構。受訪者供圖
“這樣的設計，既強化了氧分子的活化，又能幫助中間體順利脫附，并有效阻擋自由基侵蝕，達成了‘外護內催’的理想效果，使催化劑兼具高活性和長期穩定性。”王丹介紹。傳統的催化理論認為，吸附與脫附之間存在“火山圖”平衡關系，難以同時優化，而研究團隊利用創新HoMS催化劑的設計策略，突破了這一限制。
“沒有碰撞，就沒有火花”
“這項研究前后用了8年時間。從制備合成催化劑到整合器件，從機理解釋到性能優化，每一步都不容易。”王丹介紹。
令趙亞松印象最深刻的，是獲取催化劑化學結構電鏡表征數據的時候。有一次為了盡快拿到數據圖，她與負責電鏡的老師一起工作到了凌晨兩點。“回宿舍路上特別安靜，和白天的喧囂完全不同，那種‘披星戴月’的畫面，我至今難忘。”
2019年，在合成出催化劑后，研究團隊決定把催化劑整合進燃料電池器件中，但這涉及化學、材料、化工與工程學科等多個領域，并非單個研究團隊能夠實現。
轉機出現在2021年。王丹在參加華北地區五省市化學學術研討會時遇到了北京化工大學教授向中華，交流中了解到他們團隊恰好擅長制備非貴金屬催化劑器件。“我一提到我們的困境，他立馬就表達了合作意愿。”王丹笑著說，“正所謂‘術業有專攻’，科學家對交流的需求就像農民需要化肥一樣，沒有碰撞，就沒有火花。”
這次“碰撞”后，在向中華團隊的協助下，多層曲面鐵單原子催化劑燃料電池單電池成功組裝運行。測試結果表明，在氫氣-空氣條件下，這種催化劑在燃料電池中的峰值功率密度達到0.75瓦/平方厘米，且連續運行300小時后仍能保持86%的初始性能，在非貴金屬體系燃料電池中綜合性能最優。這不僅顯著降低了對昂貴鉑族金屬的依賴，也為燃料電池的大規模商業化應用奠定了基礎。
制備的燃料電池器件。受訪者供圖
未來，這類催化劑有望應用于燃料電池汽車、便攜式電源及分布式發電等領域，為綠色能源發展提供有力支撐。
2023年初開始投稿后，Nature、Science的接連拒稿，讓團隊研究再次陷入困境。審稿人認為理論計算不足以支撐研究結論。為此，研究團隊又先后與東南大學王金蘭團隊、香港城市大學劉彬團隊展開合作，在理論計算、原位表征等方面對研究進行優化、提升。
經歷了多輪修改后，研究團隊再次向Nature提起申訴。最終，這項研究精確的合成、創新的結構、過硬的性能，以及可靠的表征和理論計算結果說服了編輯和審稿人，論文被成功接收。
重大科學發現離不開“三要素”
“好的想法、好的團隊、好的合作，是獲得重大科學發現的關鍵因素。”王丹說道，“恰好這三個‘好’我們都具備了。”這項研究得益于多方協同、優勢互補的團隊合作模式，這種緊密、高效的交叉合作，保證了研究工作的全面、系統與高質量。
作為中國科學院過程工程研究所的一名副研究員，趙亞松第一次在《自然》上發表文章。當論文被接收的消息傳來時，她正在實驗室。“那一刻既興奮又如釋重負，這份成果凝聚了很多人的努力。”趙亞松說道。
回顧這段研究經歷，她最感恩的便是導師的指引。“王老師就像掌舵人，總能在我最迷茫的時候，指出最關鍵的方向。我們配合得非常默契。”
“我帶過很多優秀的學生，但像亞松這樣能頂住壓力，甘愿用這么多年去打磨一項研究的，非常少見。”對于自己的學生，王丹給出了極高的評價。在他看來，一名優秀的科研工作者至少要具備三個特點：Will、Work、Wait——強烈的愿望、努力的工作、耐心的等待，缺一不可。
“盡管這項研究最初聚焦于燃料電池，但其意義遠不止于此。”王丹強調。基于HoMS創新催化劑設計策略的思路，可以推廣到其他催化領域的研究中，例如鋰硫電池、氮氣還原、二氧化碳轉化甚至人工光合作用等領域。
去年8月，王丹離開中國科學院過程工程研究所全職加入深圳大學，開啟了學術研究的新旅程。他希望借助深圳的產業環境，把過往研究了20年的HoMS設計策略拓展至能源、傳感甚至人工光合等應用領域。“我希望我們的工作不只停留在發文章上，還要能解決實際問題，要做到頂天立地。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6
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