在東北，一道鐵鍋燉能燴盡山河百味；在實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家也用“化學(xué)鐵鍋”燉出了一道“硬菜”。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）氫化物能源化學(xué)研究中心團(tuán)隊(duì)采用“一鍋法”的新工藝技術(shù)，制備出鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫材料，為氫能安上了“固態(tài)心臟”。

近期，這項(xiàng)誕生于東北的創(chuàng)新技術(shù)，在陜西榆林完成了從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵跨越。據(jù)悉，以榆林中科潔凈能源創(chuàng)新研究院（以下簡稱榆林創(chuàng)新院）為建設(shè)依托方、大連化物所為技術(shù)提供方、大連富德金煜新能源有限公司為投資方，三方共建的150噸/年固態(tài)儲(chǔ)氫材料氫化鎂中試項(xiàng)目一次性投料試車成功，并產(chǎn)出合格的氫化鎂產(chǎn)品。這是目前我國第一條擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的百噸級以上氫化鎂生產(chǎn)線。

在這場從燒杯到反應(yīng)塔“破繭成蝶”的演化背后，是一個(gè)基礎(chǔ)研究團(tuán)隊(duì)20多年的積淀。氫化物能源化學(xué)研究中心由大連化物所研究員陳萍領(lǐng)銜，開創(chuàng)了金屬氮?dú)?、金屬硼氮?dú)浼敖饘偬嫉獨(dú)涞榷囝悆?chǔ)氫材料新體系，引領(lǐng)了國際復(fù)合氫化物儲(chǔ)氫研究的前沿?zé)岢?，研究成果被寫進(jìn)牛津大學(xué)編寫的《無機(jī)化學(xué)》一書中。

如今，這群習(xí)慣了與試劑瓶對話的科學(xué)家，終于把論文里的分子式烙在了祖國大地上。

讓氫化鎂“一鍋出”

時(shí)光撥回至2002年。實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)櫥里，陳萍正凝視著反應(yīng)釜中銀白色與深灰色交織的粉末。這是她與固態(tài)儲(chǔ)氫材料故事的起點(diǎn)。

彼時(shí)的科研藍(lán)圖非常清晰，她想將儲(chǔ)氫材料運(yùn)用在車載技術(shù)上，希望有一天能夠和汽油、柴油等“分庭抗禮”。于是，她開始研究輕金屬鋰、鎂等與氮?dú)狻錃獾姆磻?yīng)，開創(chuàng)了金屬氮?dú)鋬?chǔ)氫材料新體系。其中，氫化鎂就是金屬氮?dú)銵iMgNH儲(chǔ)氫材料的重要成分。

由于LiMgNH具有車載應(yīng)用前景，迅速成為固態(tài)儲(chǔ)氫材料的重要分支，引起了美國能源部和部分車企的關(guān)注。為了車載夢想，陳萍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)持續(xù)對該材料進(jìn)行深入研究和優(yōu)化。

到2018年，隨著國內(nèi)氫能行業(yè)熱度漸起，固態(tài)儲(chǔ)氫材料獲得了極大關(guān)注，前來交流的企業(yè)不斷增加，應(yīng)用場景和需求也不斷拓寬。陳萍團(tuán)隊(duì)也從德國引進(jìn)了希望從事固態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用研究的曹湖軍博士。

“這時(shí)候我們想，能不能把LiMgNH儲(chǔ)氫應(yīng)用出口和原料組成進(jìn)行調(diào)變，關(guān)注化工場景，去掉金屬鋰，只做另一個(gè)組分——?dú)浠V呢？這樣反應(yīng)體系反而更加簡單了，而且中國的鎂資源十分豐富。”陳萍回憶道。沒想到，這個(gè)看似“減法”的決策，卻意外開啟了團(tuán)隊(duì)在鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫材料研究的新起點(diǎn)。

氫化鎂是金屬鎂與氫氣鍵合的固態(tài)化合物，如同將氣體凍成“冰塊”，其高儲(chǔ)氫容量、易于控制的反應(yīng)特性以及獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，使得氫化鎂成為鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫材料、鋰電的負(fù)極材料和重要的還原劑，在儲(chǔ)能、航空航天、電池制造、金屬材料制備、農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

“通常氫化鎂儲(chǔ)氫時(shí)，除了氫化鎂外，還需要添加一些催化劑使其在更溫和的條件下進(jìn)行反應(yīng)。我們團(tuán)隊(duì)致力于金屬氫化物能源化學(xué)研究，在氫化物催化方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了性能優(yōu)異的氫化鎂儲(chǔ)氫用的獨(dú)有催化劑。”陳萍介紹道。

傳統(tǒng)的制備方法如同炒菜，通常分“兩步走”，先將鎂在高溫高壓下加工成氫化鎂，再添加催化劑“調(diào)料”。這種“先煮肉后加鹽”的操作不僅耗時(shí)費(fèi)力，還可能因分步處理導(dǎo)致材料混合不均。

“鎂質(zhì)地柔軟、易氧化，固體間反應(yīng)較為困難，特別是鎂的表面容易形成氧化層，這將阻礙其與氫氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)效率低下，影響儲(chǔ)氫性能?！标惼颊f，“我們設(shè)想，能不能把鎂完全暴露在表面，同時(shí)加入專有催化劑，使鎂和氫氣立馬產(chǎn)生反應(yīng)，像東北鐵鍋燉一樣‘一鍋出’？”

有了這個(gè)想法，他們立馬著手做“鍋”——定制了一款高速球磨機(jī)，在氫氣和催化劑的環(huán)境下，通過高速的機(jī)械動(dòng)能撞開鎂表面的氧化層，使新鮮的鎂表面暴露出來，并且立刻與氫氣和催化劑形成“分子保鮮膜”，搶在氧氣接觸前鎖住活性表面，最終通過“一鍋法”得到了合格的氫化鎂儲(chǔ)氫材料。

“這就如同制作芝麻團(tuán)子時(shí)如果先搓好面團(tuán)再撒芝麻，芝麻就只能沾在表面，而我們現(xiàn)在和面時(shí)就將芝麻揉進(jìn)面團(tuán)，每一口都能嘗到香氣。”曹湖軍比喻道。

從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化

在實(shí)驗(yàn)室里取得成功后，團(tuán)隊(duì)有了一個(gè)大膽的想法，他們認(rèn)為“一鍋法”技術(shù)具備規(guī)?；糯蟮臐摿Γ粌H能批量生產(chǎn)出社會(huì)需要的氫化鎂產(chǎn)品，還能為后續(xù)推動(dòng)LiMgNH的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，同時(shí)響應(yīng)國家的能源發(fā)展戰(zhàn)略，因此希望嘗試推進(jìn)其工業(yè)化應(yīng)用。

然而，本應(yīng)順理成章的事情卻讓陳萍和曹湖軍有些犯難。

“我們是一個(gè)基礎(chǔ)研究團(tuán)隊(duì)，從來沒做過應(yīng)用轉(zhuǎn)化，但是我們心里很清楚，固態(tài)儲(chǔ)氫產(chǎn)品應(yīng)用范圍很廣，這個(gè)課題肯定是屬于基礎(chǔ)應(yīng)用的一部分，也希望看見我們的技術(shù)真正應(yīng)用在日常生活中?！辈芎娬f。

但是，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室往往比較容易“理想主義”，要求各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)都必須做到最好，深諳氫化鎂的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，卻對“生產(chǎn)成本”“設(shè)備選型”等工業(yè)參數(shù)近乎陌生。而工業(yè)生產(chǎn)需要的是能夠產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益、合格的產(chǎn)品，而不是完美無瑕的“工藝品”。

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2021年。在一次中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的活動(dòng)中，曹湖軍來到了榆林創(chuàng)新院，了解到榆林這片土地蘊(yùn)藏著豐富的可再生資源，且盛產(chǎn)鎂。此外，榆林創(chuàng)新院表示，不僅能夠提供充足的場地支持，還可以提供一定的資金保障，這與曹湖軍的需求不謀而合。在申請項(xiàng)目過程中，他與榆林創(chuàng)新院積極尋找合作企業(yè)，并結(jié)識了大連富德金煜新能源有限公司總裁呂志輝。

呂志輝曾在大連化物所學(xué)習(xí)和工作過，在科研成果轉(zhuǎn)化領(lǐng)域深耕多年，先后完成了甲醇制烯烴等大型工業(yè)化項(xiàng)目。一聽說陳萍和曹湖軍團(tuán)隊(duì)在做儲(chǔ)氫材料，他表示出濃厚的興趣，還專門來到大連化物所實(shí)地交流，了解到氫化鎂目前已經(jīng)通過了實(shí)驗(yàn)室小試，他當(dāng)即表示同意合作。

面對從未涉足的工業(yè)化領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)成員心中難免忐忑。呂志輝在工業(yè)化方面提出了很多建議，并表示：“你們盡管放手去做吧，相關(guān)的困難你們不用擔(dān)心，有我們呢！”短短幾句話使猶豫不決的團(tuán)隊(duì)堅(jiān)定了信心。

隨后，陳萍團(tuán)隊(duì)將技術(shù)授權(quán)給大連富德金煜新能源有限公司，并與榆林創(chuàng)新院簽署了合作合同，三方一起朝著氫化鎂工業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)前進(jìn)。

堅(jiān)持不懈的信念是成功關(guān)鍵

隨著合作的深入，新的問題產(chǎn)生了。

原本在實(shí)驗(yàn)室階段表現(xiàn)卓越的高壓高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在工廠中試階段卻難以勝任了，此前的機(jī)械力度無法“攪動(dòng)出”放大十倍、百倍后的原材料，進(jìn)一步加大扭矩可能導(dǎo)致反應(yīng)器接口高壓泄漏，持續(xù)升高溫度又會(huì)導(dǎo)致鎂粉板結(jié)。

此時(shí)，儲(chǔ)氫領(lǐng)域的資深專家熊智濤博士加入團(tuán)隊(duì)，為研究注入了新的活力。最終，團(tuán)隊(duì)從化工領(lǐng)域的深厚積累中汲取靈感，利用氣體流動(dòng)帶動(dòng)粉末傳輸，并通過優(yōu)化攪拌頻率，成功將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)適配于大型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵跨越。

不久之后，一座現(xiàn)代化的氫化鎂合成產(chǎn)線誕生了。

在冬天零下15℃的榆林，曹湖軍站在高達(dá)五層的工業(yè)裝置之上，感受著刺骨的寒風(fēng)呼嘯而過，內(nèi)心卻涌動(dòng)著一股暖流。從實(shí)驗(yàn)室到工廠的跨越，于他和陳萍而言，已不僅僅是一句空洞的口號，而是團(tuán)隊(duì)共同走過的漫長征程的見證。在他們心中，堅(jiān)持不懈的信念才是推動(dòng)科研成果成功轉(zhuǎn)化的核心要素。

“如果不相信工業(yè)化能夠成功，那么我可以找到無數(shù)理由來否定技術(shù)的市場化前景——安全問題、工藝放大……但我們的催化劑和制取氫化鎂的技術(shù)都是原創(chuàng)的，我們堅(jiān)信它們能夠走進(jìn)工廠的大門，最終的結(jié)果也印證了我們的判斷。”

在與企業(yè)的深入交流中，曹湖軍逐漸學(xué)會(huì)了傾聽并理解他人的需求。

他坦言：“作為一個(gè)專注于基礎(chǔ)研究的團(tuán)隊(duì)，我們的‘母語’是化學(xué)語言，而工程師們則精通機(jī)械語言和設(shè)計(jì)語言。比如，我提供的是化學(xué)反應(yīng)的邊界條件，而他們提供的是設(shè)備工藝的參數(shù)設(shè)置，在這中間是有差異的。因此，我們不僅要成為自己領(lǐng)域的專家，也要學(xué)會(huì)成為彼此的‘翻譯’，找到一個(gè)溝通的平衡點(diǎn)，才有可能走向成功?！?/p>

“科研人員、設(shè)計(jì)人員、施工人員、管理人員與企業(yè)家齊心協(xié)力、全力以赴，相互尊敬、支持和欣賞，也是此次中試項(xiàng)目取得成功的關(guān)鍵?！辈芎娧a(bǔ)充說。

目前，150噸/年固態(tài)儲(chǔ)氫材料氫化鎂中試項(xiàng)目已順利開車，整條中試生產(chǎn)線現(xiàn)場無人值守、自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了氫化鎂的高效化、連續(xù)化、數(shù)字化生產(chǎn)。該生產(chǎn)線制備出的氫化鎂材料，純度高達(dá)90%~99%，循環(huán)次數(shù)可達(dá)千次以上，是傳統(tǒng)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫密度的4倍，能夠提供高安全、高效率、低成本的氫能儲(chǔ)運(yùn)解決方案。

展望未來，團(tuán)隊(duì)滿懷信心地表示，他們將繼續(xù)研發(fā)性能更優(yōu)異的儲(chǔ)氫材料及其催化劑，同時(shí)參與建設(shè)產(chǎn)能更大的氫化鎂裝置，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的全面自動(dòng)化，為大規(guī)模儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用提供更為堅(jiān)實(shí)的支撐。

《中國科學(xué)報(bào)》(2025-03-17 第4版 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化)