国家自科基金重大项目结题验收获评优秀

2026年2月5日，由重庆大学魏子栋教授、北京化工大学化工资源有效利用全国重点实验室邵明飞教授、中国科学院大连化学物理研究所李仁贵研究员、天津大学张金利教授牵头的国家自然科学基金委化学科学部重大项目“电解水制氢与绿色化工耦合的科学基础”结题验收评审会在北京召开，项目获评小组三个项目里的唯一“优秀”。该重大项目课题一《电解水耦合有机物氧化与高效制氢》由化工资源有效利用全国重点实验室段雪院士团队邵明飞教授承担。

• 研究背景

氢能作为一种绿色清洁能源已明确纳入我国能源战略发展规划。其中电解水制氢有望成为绿色氢气来源的最重要途径。但该反应的阳极析氧动力学过程缓慢，严重制约了阴极的产氢效率，且产物氧气的附加值不高。针对该关键科学问题，北京化工大学段雪院士团队率先提出电解水制氢耦合氧化（EHCO）原创思想，通过利用电解水制氢过程中氧端产生的“活性氧”耦合有机物氧化，在高效制氢的同时实现高值化学品的合成，为绿氢制备与绿色化工提供了全新的技术路径。

• 研究成果

自2021年1月立项以来，团队依托任务书中所制定的研究内容、研究目标及研究方案，以电解水耦合有机物氧化与高效制氢为基础，取得重要研究进展：

（1）系统揭示了阳极水活化产生“活性氧”的机理及其耦合氧化的反应机制，通过调控多相界面活性氧生成，实现了与耦合反应底物能级与速率的匹配，围绕C−H，C=O及C=C键活化，构建了30余个电解水制氢耦合有机氧化反应新体系，合成了系列高附加值化学品，并使产氢能耗较传统电解水制氢能耗降低20%以上，效率提高2~40；

（2）发展了电解水制氢及耦合氧化催化剂可控制备方法，通过控制电极组成与界面性质，强化了有机物的传质吸附与氧化反应，实现了反应介质与底物在电极表界面的均匀分布、高效传递与反应耦合；进一步开发了高稳定电极制备技术，实现单片电极面积>1000 cm2，电流密度>200 mA cm−2下稳定运行时间超2000 h。

（3）自主创制了电解水制氢耦合氧化反应器，确定了有机相对反应器内催化剂、隔膜等性能的影响规律，并搭建了千瓦级电解水制氢耦合绿色氧化反应装置，其中电解水制氢耦合乙二醇氧化制乙醇酸反应装置功率达到1.2 kW，乙醇酸年产量达1.5吨，对应产氢量1095 Nm3/年；电解水制氢耦合5-羟甲基糠醛（HMF）氧化制2,5-呋喃二甲酸（FDCA）反应功率达到20 kW，FDCA最大产能可达56吨/年，氢气最大产能可达27240 Nm3/年，远超国内外相关报道。积极开展对外服务，反应器对外销售超30台，产品服务国内外10余个课题组。

课题在研期间，积极与清华大学段昊泓研究员课题组及项目课题之间开展合作研究，相关工作在Nat. Mater.、Nat. Catal.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、Adv. Energy Mater.、ACS Catal.、CCS Chem.、AIChE J.等期刊发表高水平研究论文63篇，单篇被引超600次，引领并促进了电解水制氢耦合氧化研究成为学术热点和前沿方向。在基础研究支撑下，团队积极开展应用基础研究，申请国家发明专利26项，获授权专利6项，构建了自主知识产权体系。在化工资源有效利用全国重点实验室衢州基地——衢州资源化工创新研究院工程化项目支持下（累计经费>1000万），建成了电解水制氢耦合氧化工程化研发平台，围绕千瓦级电解水制氢耦合氧化技术以完成了《中国化工学会》成果鉴定和《中国石油和化学工业联合会》成果评价各1项，评价结果均属原创，且国际领先，并于2025年获“中国石油和化学工业联合会科学技术奖科技进步一等奖”。目前，电解水制氢耦合氧化制2,5-呋喃二甲酸（FDCA）与中国化学工程第七建设有限公司签订了技术开发协议，共同推进千吨级（兆瓦级）装置和工艺包建设。电解水制氢耦合氧化制乙醇酸技术与中石化广州工程有限公司签署合作协议，推进工程放大和工艺包开发。

本项目研究成果在清洁氢能源高效生产及高值化学品绿色合成领域具有重要理论价值和实际应用前景。