这是一个灵感来自中国传统小吃麻球的重大突破。

复旦大学高分子科学系教授张波与绿氢打交道多年，如何降低生产成本是他整天琢磨的事情。

麻球主要由糯米制成，只是表面沾了一层芝麻。一次吃着麻球，张波突发奇想：最前沿的PEM（质子交换膜）电解水制氢所需的催化剂，含铱量高达85%，而1克铱的成本是1300元，比黄金还要贵两倍以上。能否像麻球一样，只在表面覆盖一层催化剂？芝麻容易脱落，他继而联想到种在牙床上的牙齿，能否仿效把“芝麻”的一半种在麻球里？

这一电光石火的灵感，经过整整3年的合力攻关成为现实。复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕合作团队，首创性地合成了具有极高催化活性和稳定性的铱/铈嵌入式催化剂，成本降低了85%，能效提高了65%；在国际上首次实现并超越美国能源部设定的2026年PEM电解水设备性能指标。北京时间2月14日凌晨，这一里程碑式成果在国际权威学术期刊《科学》发表。

【未来全球经济发展的重要引擎】

随着二氧化碳浓度逐年升高，全球平均温度比1920年上升1.42℃，应对气候变化和能源转型的压力日益加剧。氢气燃烧的产物只有水，具有清洁环保的优点，因此氢气成为构建脱碳能源体系和缓解全球气候变暖的关键，甚至被视为未来全球经济发展的重要引擎，而零碳的绿氢作为一种高效、可持续的能源载体，越来越受到关注。

当下，国际上电解水制氢的主流技术路径是碱性电解水，但其启停太慢，需40分钟以上；且为了缺电时不停机，需低功率运行，氧气容易渗透，存在爆炸的危险。而PEM电解水技术最快可2分钟内启动，且高效安全，可以预见的是未来市场占比将持续增长，具有巨大的成长空间。

催化的效率直接决定了电解水反应的能效与经济性。目前，铱及其氧化物是唯一可在PEM阳极的强酸性环境下稳定工作的催化剂，但铱在地壳中的含量非常稀少，仅为千万分之一，加上其价格不菲，限制了PEM电解水的大规模商业化。因此，开发低成本、高性能的催化剂，成为全球学术界和工业界迫切需要解决的瓶颈问题。

【率先将冷冻电镜用于催化研究】

“听到‘种芝麻’的想法，我们也非常激动。”复旦大学化学系青年研究员段赛告诉解放日报记者，“这一想法是否真的可行，需要在理论上做出解释。”

复旦大学化学系徐昕教授团队通过自主研发的算法，严密地计算出 “麻球”（催化剂载体）和表面“芝麻”（催化剂）各自生长速度的匹配关系，使其恰好达成一半在外一半嵌入的效果。否则，如果二者的生长速度失衡，“芝麻”可能被“麻球”全部吞掉，或只粘附了一点、容易脱落。

“理论推导和实验的曲线图达到了惊人的一致，别人乍一看都不知道哪个是理论、哪个是实验，这说明策略是成功的。”段赛说。

如果催化剂的生长过程能够“眼见为实”，就能更好地控制生长速度。复旦大学高分子科学系青年研究员徐一飞利用冷冻透射电镜以及冷冻电子断层扫描技术，清楚地看到了“芝麻”长大和嵌入全过程，并揭示了超声和加热可以有效加快“麻球”的生长速率。

“一直以来冷冻电镜多用于结构生物学，在我和张波老师合作之前几乎没有人用它做催化材料方面的研究。”徐一飞告诉解放日报记者，这得益于复旦大学高分子科学系专门建立了国内首个面向软物质和纳米材料研究的冷冻电镜平台。

在三个团队的合力之下，研究人员利用纳米晶体在超声和加热作用下的自发长大过程，将“芝麻”（氧化铱）嵌入到“麻球”（氧化铈）中，首创了一种稳定且高效的载体型催化剂，极大地减少了铱的用量，破解了这一重要的瓶颈问题。

【“争取今年底商业化”】

张波给解放日报记者算了一笔账——1克铱的成本高达1300元，而铈在自然界中的储量相对较为丰富，他们首创的铱/铈嵌入式催化剂，使得催化剂的成本降低了85%。

还有一个意外之喜——催化剂的能效提升了65%。由于一半“芝麻”深度嵌入“麻球”中，它们的相互作用比原来更加剧烈，催化能力更强。

此外，催化剂的稳定性更好，加速老化实验6000小时无衰减。根据实验结果估算，由此制造的PEM设备寿命可达15年以上，而现有设备寿命是10年。

性能、成本和寿命通常被视为一个相互关联和制约的“三角”，基于复旦大学研制的这种新型催化剂制造的PEM设备不仅有着亮眼的“三角”数据，还在世界上首次实现并打破了美国能源部2026年的PEM电解水设备性能指标。

“我们一方面解决了PEM电解水的痛点，另一方面凡需要载体型催化剂的地方都可以发挥作用，这是一种方法学的推广。”张波说。

张波还有一个身份——山海氢（上海）新能源科技有限公司董事长，这是复旦大学孵化的一家初创企业，地处上海唯一以碳中和命名的产业园。解放日报记者在公司实验室看到，一台水桶大小的设备大约5天可生产500克载体型催化剂。

“我们正在优化催化剂工艺，争取今年底商业化。”张波向解放日报记者透露。

根据国际能源署的预测，到2050年全球氢气需求将达到约亿吨以上，其中大部分来源于绿氢；中国预计在2050年实现氢能大规模应用。复旦大学的这一研究成果无疑为实现这些目标提供了新的技术支撑，将直接促进绿氢产业化的加速。

本文作者：解放日报