当“双碳”目标成为时代命题，构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系不仅是战略选择，更关乎人类未来。
在这场能源革命中，兼具催化和分离功能的催化膜，是电解水制氢、膜反应器、燃料电池等领域的核心，其性能、寿命与成本，关乎能源系统的成败。
中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称青岛能源所）研究员江河清深耕催化膜技术多年，带领团队在催化膜的“材料-结构-工艺”上不断突围，创新材料配方、攻克批量制备难关，研制出能实现“反应/分离/反应”一体化及高效水分解制氢的核心器件。
江河清（中）指导团队成员做实验。 受访者供图
灵感总在山重水复处
水分解制氢，因其产物仅为氧气和氢气，被视为理想的绿色制氢路径。然而，无论是光催化还是热催化水分解制氢，都受制于反应平衡常数太小。
2008年，在德国汉诺威大学攻读博士学位的江河清，专注于高效水分解催化剂的开发。然而，无论他如何优化催化剂结构，产氢效率始终难以突破理论瓶颈，实验一次次陷入僵局。
转机出现在一个冬夜。在一次实验失败后，他凝视着水杯上方升腾的蒸汽，一个灵感闪现：如果能利用一种耐高温的氧渗透膜持续地将水分解产生的氧气移除，不就能够打破反应平衡限制，提高氢气产率吗？
说干就干！江河清创新性地在氧渗透膜两侧构筑催化层形成催化膜，打造出独特的“催化膜反应器”，一举将高温水分解、氧分离与甲烷部分氧化巧妙耦合。
实验结果令人振奋——900摄氏度条件下，产氢量远高于传统热解水制氢。自此，江河清提出的基于催化膜的“反应/分离/反应”一体化耦合策略受到国内外同行和能源企业的关注。
2013年，江河清怀揣着自主创新的初心，踏上归国路，加入了青岛能源所。弹指间，已历经十二个春秋。
如今，他正带领团队锚定氢能产业核心需求，以突破催化膜电极为目标，构建起贯通“基础研究-关键技术-示范应用”的创新链条，以期产出一批国产关键材料和核心技术与装备，支撑氢能产业高质量发展。
打造绿色制氢方案
身为“国家人”，要心系“国家事”、肩扛“国家责”。面对化石能源的清洁高效利用及其与可再生能源融合发展的迫切需求，2023年，在研究所的大力支持下，江河清牵头成立了功能膜与氢能技术研究中心，聚焦于催化膜电极的关键材料和可控制备技术，开展应用基础研究，进一步通过产学研用模式，实现科技成果的转移转化，将论文写在祖国大地上，将技术送进工厂里。
然而，从实验室到生产线，科技成果转化之路并非坦途。多层催化膜电极在严苛的制氢环境下，饱受稳定性差、催化层易剥落的困扰。“这就像造房子，地基不牢，再好的设计也白搭。”团队成员、青岛能源所研究员贺广虎道出了技术攻关的关键卡点。
更考验定力的是，当看到同行在“短平快”课题上捷报频传，团队内部人心浮动。这份坐“冷板凳”的定力，正经历着严峻考验。
“坐不住了？觉得我们太慢了？”一次组会上，洞悉了大家情绪的江河清说，“做科研，尤其‘啃硬骨头’，就得有‘十年磨一剑’的定力。科研人要解决国家需要的‘真问题’！”
经过反复实验验证，江河清团队最终提出了界面反应诱导自组装制膜技术。与传统制膜工艺相比，该技术能够在支撑层上原位构筑厚度仅1微米的氧离子传导薄膜，而且这层薄膜与支撑层之间具有强相互作用，能在减少氧离子传输阻力的同时，有效避免薄膜分层或剥离，显著提高多层结构催化膜的分离性能和稳定性。
基于此，团队将高温水分解与工业副产氢氧化反应完美耦合于膜两侧，开发出一种具有“化学置换”特征的新型催化膜提纯氢气技术，该技术展现出优异的稳定性和制氢性能。
“树的影子再长，根永远扎在土里。”江河清说，“我们的科研要始终服务于国家和人民，让实验室的膜真正变成支撑行业的产品。”
攻克大面积制膜技术
催化膜电极的可控批量化制备，是其迈向工业应用的必经之路。提起这段征程，江河清坦言“走了不少弯路”。
与小尺寸膜样品不同，大面积催化膜的制备是一个复杂而精细的工艺过程，需要严格控制浆料配方、成型条件、烧结工艺、后处理条件等。建组初期，受限于科研经费和场地，团队只能从优化浆料配方、工艺参数等基础环节入手，初期催化膜的成品率低，重复性和可控性差。
为攻克这一难关，江河清组建了攻关小队。他们从源头的原材料筛选开始“死磕”，精准控制制膜环境的温度、湿度、洁净度，建立严格的标准化工艺流程。随着制膜过程的可控性全方位提升，批量制备中膜缺陷产生的概率显著降低。
有志者，事竟成，团队的日夜鏖战终获回报。催化膜的成品率从初期的50%大幅提升至95%以上，显著降低了催化膜的成本。
与此同时，江河清团队已将目光投向了未来。基于催化膜可控批量制备技术，目前团队正加紧推进甲醇制氢装置、电解堆的研发，以实现在分布式在线制氢、光伏绿电制绿氢等领域的实际应用。
《中国科学报》(2025-07-10 第3版 综合)本文链接：江河清：以“膜法”革新叩响低碳大门http://www.sushuapos.com/show-11-23171-0.html
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