4月23日，河北科技大學(xué)能源與環(huán)境催化實(shí)驗(yàn)室李發(fā)堂創(chuàng)新工作室，李發(fā)堂（左一）與團(tuán)隊(duì)成員討論實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。河北日報(bào) 常方圓攝
4月23日，河北科技大學(xué)能源與環(huán)境催化實(shí)驗(yàn)室李發(fā)堂創(chuàng)新工作室，一份白色粉末被仔細(xì)封裝，準(zhǔn)備寄往南京林業(yè)大學(xué)。
“這是我們自主研發(fā)的鈦酸鋇新材料，對方學(xué)校想得到一些樣本�！焙颖笨萍即髮W(xué)副校長李發(fā)堂說，團(tuán)隊(duì)剛合成出這種新材料時(shí)，幾乎每周都能收到來自國內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)的郵件咨詢，目前已為近百家機(jī)構(gòu)提供樣本。
看似普通的粉末，為何受到全球?qū)W術(shù)界關(guān)注？
“我們在國際上首次成功合成10納米鈦酸鋇顆粒，打破了科學(xué)界一項(xiàng)50多年的傳統(tǒng)認(rèn)知�！崩畎l(fā)堂說，這種新材料有著廣泛的應(yīng)用前景，比如海水制氫，以它為催化劑，壓電催化分解水制氫，可將產(chǎn)氫活性提升130倍。
壓電催化是利用催化劑，直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。如果將這種方式用在制氫方面，無需供電，不受晝夜、天氣限制，把過去難以利用的海洋低品位機(jī)械能轉(zhuǎn)化為綠色氫能，為碳中和提供全新技術(shù)路徑。但相關(guān)技術(shù)尚不成熟，效率很低。
“我們正在研發(fā)一款設(shè)備，放置到海里，利用海水的涌動(dòng)就能制氫�！崩畎l(fā)堂解釋，讓海水接觸催化劑，在其表面發(fā)生催化反應(yīng)，從而將水分解成氫氣和氧氣。
而找到一種高效催化劑，則成為推動(dòng)這種技術(shù)走向規(guī)�；瘧�(yīng)用的關(guān)鍵。
在催化反應(yīng)中，電子轉(zhuǎn)移是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心機(jī)制之一。想要提升效率，關(guān)鍵在于如何讓電子產(chǎn)生得更多、遷移得更快。瞄準(zhǔn)這一難題，李發(fā)堂團(tuán)隊(duì)開始了在納米世界里的探索。
團(tuán)隊(duì)首先從調(diào)控催化劑相結(jié)構(gòu)入手，為電子反應(yīng)創(chuàng)造更多空間。
“我們偶然發(fā)現(xiàn)了一種體相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，讓材料顆粒大小從常見的100多納米降到了10納米，且壓電性能不降反升�！被貞洰�(dāng)時(shí)的場景，李發(fā)堂創(chuàng)新工作室成員、河北科技大學(xué)副教授蘇然語氣里仍帶著興奮。
電子顯微鏡下，一個(gè)個(gè)鈦酸鋇顆粒如一粒粒黑色豆子，密密麻麻整齊排列——他馬上意識到，團(tuán)隊(duì)可能撞開了“一扇門”。
“從20世紀(jì)70年代起，學(xué)術(shù)界就有‘壓電粉體活性會(huì)隨粒徑增大而增強(qiáng)’的傳統(tǒng)認(rèn)知。而我們的實(shí)驗(yàn)打破了這個(gè)定論�！碧K然說。
打破傳統(tǒng)，重塑認(rèn)知，蘇然口中一句簡單的“偶然發(fā)現(xiàn)”，背后藏著3年時(shí)間內(nèi)5000余次實(shí)驗(yàn)失敗。
合成鈦酸鋇的過程好比炒一盤青椒土豆絲。兩樣原料試劑鈦酸四丁酯、硝酸鋇就像青椒和土豆，此外還有多種表面活性劑作為調(diào)料。合成涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，就像炒菜時(shí)青椒、土豆比例如何，各種調(diào)料如何選擇，以及時(shí)間、火候等如何掌握，都影響菜的口味。
新材料的合成又遠(yuǎn)比炒菜更為精密與嚴(yán)苛，每一個(gè)環(huán)節(jié)的微小變動(dòng)，都影響最終結(jié)果。5000余次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，積累出一次“偶然發(fā)現(xiàn)”，但這只是新挑戰(zhàn)的開始。
首次合成10納米鈦酸鋇顆粒后，團(tuán)隊(duì)卻一直未能成功對其進(jìn)行復(fù)制。通過不斷深入研究，又經(jīng)過2000多次實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)才終于摸清這種特殊結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律。
解決了讓電子更多的問題，又該如何讓電子“聽話”，遷移得更快？
催化反應(yīng)在催化劑表面進(jìn)行，一般通過構(gòu)建表體缺陷來實(shí)現(xiàn)對電子的調(diào)控。就好比在擁擠的道路上，設(shè)置一些引導(dǎo)標(biāo)志和專屬通道，讓電子這輛“小車”不再四處亂闖，而是沿著設(shè)定的路線快速移動(dòng)。
就在李發(fā)堂團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期之際，一位加拿大院士在國際高水平期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》發(fā)表了相關(guān)文章，研究內(nèi)容與其相同，且得出了“表面氧空位誘導(dǎo)無序化”的結(jié)論。
“我看到這篇文章時(shí)特別泄氣。權(quán)威專家已經(jīng)做過了，我還有必要做嗎？”蘇然說，他找到李發(fā)堂，提出放棄研究。
李發(fā)堂卻攔住了他：“做科研不能跟風(fēng)、不能盲從，要有自己的原創(chuàng)性，更要耐得住冷板凳�！�
更重要的是，李發(fā)堂根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)判斷，加拿大專家得出的結(jié)論可能并不準(zhǔn)確，最終的答案應(yīng)該是“定向有序”，而非“雜亂無序”。
又是一次挑戰(zhàn)權(quán)威，又是數(shù)千次的實(shí)驗(yàn)，最終團(tuán)隊(duì)成功找到了表面重構(gòu)誘導(dǎo)晶格畸變的材料合成新方法，并把論文投稿至《德國應(yīng)用化學(xué)》�！翱l(fā)特別順利，短短兩周就收到了回復(fù)，對方十分認(rèn)可我們研究的價(jià)值�！碧K然說。
除了分解水制氫，李發(fā)堂團(tuán)隊(duì)的研究成果還為解決我國高端電子陶瓷粉體的技術(shù)瓶頸奠定了基礎(chǔ)，在環(huán)境修復(fù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。他們的研究或許將很快走進(jìn)日常生活：將適合材料附著到滾筒洗衣機(jī)內(nèi)壁，可實(shí)現(xiàn)高效殺菌效果。
不僅是關(guān)于鈦酸鋇的新發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)在表體相結(jié)構(gòu)調(diào)控及其增強(qiáng)電子活性機(jī)制的研究上已深耕近20年，取得了多項(xiàng)突破。
4月22日，李發(fā)堂團(tuán)隊(duì)的研究繼獲得2016年度河北省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)之后，再次獲得2025年度河北省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，設(shè)備的嗡鳴聲未曾停止，團(tuán)隊(duì)成員仍在納米世界里探索，尋找更高效的新材料。
特別聲明：國家電投官方網(wǎng)站轉(zhuǎn)載其他網(wǎng)站內(nèi)容，出于傳遞更多信息而非盈利之目的，同時(shí)并不代表贊成其觀點(diǎn)或證實(shí)其描述，內(nèi)容僅供參考。版權(quán)歸原作者所有，若有侵權(quán)，請聯(lián)系我們刪除。
