纳米世界里打造绿氢制备“高速路”

　　——2025年度河北科学技术奖巡礼（二）

　　4月23日，河北科技大学能源与环境催化实验室李发堂创新工作室，李发堂（左一）与团队成员讨论实验细节。河北日报记者 常方圆摄

　　4月23日，河北科技大学能源与环境催化实验室李发堂创新工作室，一份白色粉末被仔细封装，准备寄往南京林业大学。

　　“这是我们自主研发的钛酸钡新材料，对方学校想得到一些样本。”河北科技大学副校长李发堂说，团队刚合成出这种新材料时，几乎每周都能收到来自国内外高校、科研机构的邮件咨询，目前已为近百家机构提供样本。

　　看似普通的粉末，为何受到全球学术界关注？

　　“我们在国际上首次成功合成10纳米钛酸钡颗粒，打破了科学界一项50多年的传统认知。”李发堂说，这种新材料有着广泛的应用前景，比如海水制氢，以它为催化剂，压电催化分解水制氢，可将产氢活性提升130倍。

　　压电催化是利用催化剂，直接将机械能转化为化学能。如果将这种方式用在制氢方面，无需供电，不受昼夜、天气限制，把过去难以利用的海洋低品位机械能转化为绿色氢能，为碳中和提供全新技术路径。但相关技术尚不成熟，效率很低。

　　“我们正在研发一款设备，放置到海里，利用海水的涌动就能制氢。”李发堂解释，让海水接触催化剂，在其表面发生催化反应，从而将水分解成氢气和氧气。

　　而找到一种高效催化剂，则成为推动这种技术走向规模化应用的关键。

　　在催化反应中，电子转移是实现能量转换的核心机制之一。想要提升效率，关键在于如何让电子产生得更多、迁移得更快。瞄准这一难题，李发堂团队开始了在纳米世界里的探索。

　　团队首先从调控催化剂相结构入手，为电子反应创造更多空间。

　　“我们偶然发现了一种体相拓扑结构，让材料颗粒大小从常见的100多纳米降到了10纳米，且压电性能不降反升。”回忆当时的场景，李发堂创新工作室成员、河北科技大学副教授苏然语气里仍带着兴奋。

　　电子显微镜下，一个个钛酸钡颗粒如一粒粒黑色豆子，密密麻麻整齐排列——他马上意识到，团队可能撞开了“一扇门”。

　　“从20世纪70年代起，学术界就有‘压电粉体活性会随粒径增大而增强’的传统认知。而我们的实验打破了这个定论。”苏然说。

　　打破传统，重塑认知，苏然口中一句简单的“偶然发现”，背后藏着3年时间内5000余次实验失败。

　　合成钛酸钡的过程好比炒一盘青椒土豆丝。两样原料试剂钛酸四丁酯、硝酸钡就像青椒和土豆，此外还有多种表面活性剂作为调料。合成涉及多个环节，就像炒菜时青椒、土豆比例如何，各种调料如何选择，以及时间、火候等如何掌握，都影响菜的口味。

　　新材料的合成又远比炒菜更为精密与严苛，每一个环节的微小变动，都影响最终结果。5000余次的反复实验，积累出一次“偶然发现”，但这只是新挑战的开始。

　　首次合成10纳米钛酸钡颗粒后，团队却一直未能成功对其进行复制。通过不断深入研究，又经过2000多次实验，团队才终于摸清这种特殊结构的形成规律。

　　解决了让电子更多的问题，又该如何让电子“听话”，迁移得更快？

　　催化反应在催化剂表面进行，一般通过构建表体缺陷来实现对电子的调控。就好比在拥挤的道路上，设置一些引导标志和专属通道，让电子这辆“小车”不再四处乱闯，而是沿着设定的路线快速移动。

　　就在李发堂团队的研究进入关键时期之际，一位加拿大院士在国际高水平期刊《德国应用化学》发表了相关文章，研究内容与其相同，且得出了“表面氧空位诱导无序化”的结论。

　　“我看到这篇文章时特别泄气。权威专家已经做过了，我还有必要做吗？”苏然说，他找到李发堂，提出放弃研究。

　　李发堂却拦住了他：“做科研不能跟风、不能盲从，要有自己的原创性，更要耐得住冷板凳。”

　　更重要的是，李发堂根据前期实验判断，加拿大专家得出的结论可能并不准确，最终的答案应该是“定向有序”，而非“杂乱无序”。

　　又是一次挑战权威，又是数千次的实验，最终团队成功找到了表面重构诱导晶格畸变的材料合成新方法，并把论文投稿至《德国应用化学》。“刊发特别顺利，短短两周就收到了回复，对方十分认可我们研究的价值。”苏然说。

　　除了分解水制氢，李发堂团队的研究成果还为解决我国高端电子陶瓷粉体的技术瓶颈奠定了基础，在环境修复、生物医学等领域也有广泛应用前景。他们的研究或许将很快走进日常生活：将适合材料附着到滚筒洗衣机内壁，可实现高效杀菌效果。

　　不仅是关于钛酸钡的新发现，团队在表体相结构调控及其增强电子活性机制的研究上已深耕近20年，取得了多项突破。

　　4月22日，李发堂团队的研究继获得2016年度河北省自然科学奖一等奖之后，再次获得2025年度河北省自然科学奖一等奖。

　　实验室内，设备的嗡鸣声未曾停止，团队成员仍在纳米世界里探索，寻找更高效的新材料。（河北日报记者 常方圆）