哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院曾瑞教授以第一作者身份在《Nature》刊发最新科研成果。距离他 8 月 18 日归国入职，这项重磅成果发表仅时隔22天。

该研究开发出电化学辅助除氢全新方案，借助电化学手段替代传统压差驱动模式，相当于为氢气配置一台 “电泵”，能够主动从混合气体中将氢气抽离。实验数据表明，该方案可在 300℃条件下让氢气分离速率提升近 4 倍，可将体积分数 1% 的低浓度氢气提纯至纯度 100%；在 250℃环境中，氨裂解、甲基环己烷脱氢反应的最高转化率分别可达约 91% 与 94%，同时系统稳定除氢运行时长突破 100 小时。

有趣的是，在启动这项课题之前，曾瑞的核心研究方向并非脱氢技术，而是依靠电化学加氢路径，把空气中二氧化碳转化为乙烯等高附加值化工产品。

一次意外的探索，让这项原本的支线课题，最终成长为登上顶级期刊的核心成果。

▲曾瑞。

时间回溯至 2023 年春节。彼时正在麻省理工学院化学系开展博士后研究的曾瑞，无暇感受节日氛围，已经连续多日在实验室通宵攻坚。

当时他负责一个日本企业资助的科研项目，采用电化学钯膜反应装置，尝试把大气中的二氧化碳转化为乙烯等具有更高利用价值的化学品。课题构想看似简单，实际实验推进却困难重重。钯膜表面氢原子复合速率过快，氢分子还未与二氧化碳发生反应就提前逸出，造成二氧化碳转化效率始终难以提升。他尝试多种优化手段，均未能取得理想效果。

某个深夜，曾瑞的导师、麻省理工学院 Yogesh Surendranath 教授发来消息，为研究带来转机：既然加氢方向难以突破，不妨调转思路，转向脱氢研究，利用同一套实验装置主动抽除氢气，观察体系的变化规律。

“看到这个想法的时候，我直观感觉很有探索价值。” 曾瑞回忆。查阅文献后他发现，同类研究思路几乎未见公开报道。传统脱氢手段大多依靠压差原理，借助钯膜两侧压力差推动氢气穿透薄膜。但该方法受动力学因素制约，反应速率偏低，能耗与时间成本较高；尤其是氢气浓度较低时，提纯浓缩的难度会进一步加大。利用电化学方式实现脱氢，在该领域仍属于相对空白的方向。

于是曾瑞先从概念验证入手。最开始选用工业技术成熟的甲烷蒸汽重整反应开展验证：天然气与水蒸气高温反应生成氢气、二氧化碳与一氧化碳，再利用这套装置原位分离氢气。测试结果显示，该方案的除氢效果十分突出。

后续在一场学术交流活动上，曾瑞了解到大量学者聚焦氨裂解相关研究。氨裂解反应会生成氢气与氮气，但产物氢气会抑制催化剂活性，限制反应效率继续提升。曾瑞由此想到，如果能够及时移除体系内生成的氢气，就能有效加快反应进程；而且氨裂解体系组分更为简单，无需水蒸气参与，产物检测工作也更加便捷。

他继而将研究体系拓展到氨裂解，以及甲基环己烷这类公认的主流液态储氢介质。“氢气本身储运难度较大，液化储存需要维持零下两百多摄氏度的低温，能耗巨大；另一种思路是把氢气储存到氨气、甲基环己烷等化学载体内部，完成运输后再释放出来供使用。” 曾瑞解释道。

▲曾瑞。

在本项工作中，曾瑞及其团队提出阳极钯膜主动脱氢新策略。团队自主搭建电化学钯膜提氢装置，用电催化机制替代传统压差脱氢方案。研究采用钯合金薄膜，该材料对氢气具备选择性渗透能力，能够实现高纯氢气的分离提纯；体系施加低于 0.3 伏特的阳极电位，如同为氢气加装 “电泵”，加速氢原子跨膜传输，以此提升化学反应转化率。

曾瑞提到，装置气密性是课题推进过程中一大难点，团队耗费大量精力解决该问题。“想要实现高效、高纯度除氢效果，实验过程一旦出现电解液渗漏，整组实验就直接失效，需要全部重做。有时候设备状态不稳定，实验工作要持续到次日清晨。”

实验结果证明，这套方案在 300℃下氢分离速率提升约 4 倍，可高效分离浓缩低浓度氢气，最低可将 1% 含量氢气提纯至 100% 纯度。将该技术应用于氨裂解、甲基环己烷脱氢体系，250℃工况下最高脱氢转化率分别可达约 91%、94%，为低温高效脱氢与一体化高纯氢制备开辟了全新技术路线。

应用层面，该技术可以为汽车、公交、船舶等交通场景提供按需制氢设备研发思路，在氢气使用端实现更高效灵活的供氢。与此同时，半导体制造、精细化工等对氢气纯度要求严苛的行业，有望依托钯膜透氢技术搭建超纯氢制备平台。

▲曾瑞（右一）在麻省理工学院与课题组成员的合影。

这项研究从 2025 年 6 月提交稿件，历经约 14 个月评审周期，最终顺利录用。审稿阶段，评审专家要求补充更长周期稳定性测试数据。团队随即开展超过 100 小时长效稳定性实验，补充的数据获得审稿专家认可。评审意见评价，这项工作利用电化学持续抽氢来促进热化学脱氢的设计构思巧妙，拥有广阔普适应用前景，高度肯定 “电化学辅助热化学脱氢” 这一创新概念。

实际上这项研究原本只是曾瑞的支线课题，他的主线任务是那个日本企业资助项目。曾瑞表示，企业资助项目更看重最终指标，不一定深究底层科学机理，但对工程优化要求很高。“科研没有白走的路。如果没有这段项目经历，面对装置气密性这类工程难题时，我可能会耗费很久摸索，甚至找不到解决办法。”

曾瑞在康奈尔大学化学系取得博士学位后，前往麻省理工学院化学系从事博士后研究。长期深耕电催化、材料设计合成、原位表征等方向，多项成果发表于《Nature》《Nature Materials》等顶级学术期刊。

“从赴美求学之初，我就定下学成归国的目标。” 谈及回国选择，曾瑞介绍，等到这项研究基本落定，他才正式规划回国发展，选择加入哈工大深圳。“深圳优越的科研环境与政策扶持很有吸引力，哈工大深圳在材料领域的高水平科研平台，可以充分支撑后续研究开展。”

抵达深圳之后，曾瑞立刻投入实验室筹建工作。他介绍，课题组后续将持续围绕电化学促进热化学过程方向开展研究，探索借助电化学手段，在更温和条件下提升能量利用效率，改造传统高温高耗能反应；同时立足氢能、储能领域，开发新型反应器与电解质体系。