——记上海理工大学教授窦玉海

　　　杨 洁  曹笑轩　　

　　氢能是一种清洁高效、绿色低碳、应用广泛的二次能源，可以将其作为纽带，把可再生能源转化为氢，再把氢转化成电或其他能源物质进行使用。基于此特性，氢能在全球范围内掀起了热潮，不仅能作为家用汽车、火车、轮船等各种交通工具的燃料；也能走进千家万户，通过氢燃料电池发电供空调、冰箱和热水器等家电使用；同时还可在金属冶炼和食品烹饪等领域大显身手。

　　“氢能时代”的大幕已然拉开。近年来，全球多个国家高度重视氢能产业发展，世界各国相继公布了国家氢能战略，中国发展改革委和能源局也于2022年3月发布了《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》。可见，氢能已成为全球各国加快能源转型升级、培育经济新增长点的重要战略选择，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。

　　如今，全球能源行业正经历着以低碳化、无碳化、低污染为方向的第三次能源变革。作为第三次能源变革的重要媒介，氢能也将进一步助力我国实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，成为我国能源转型的关键补充。

　　作为最有前景的清洁能源之一，氢能是化石燃料的理想替代品，只要对其进行有效利用，就能在很大程度上避免因大量使用化石燃料所导致的能源和环境问题，从而有效减少碳排放，在能源转型过程中发挥重要作用。目前，电催化水裂解因具有能量利用率高、操作简单等优点，被认为是最环保和具有可持续性的制氢技术之一。“氢能发展的势头猛烈，应用前景很广阔。”上海理工大学教授窦玉海长期致力于原子级超薄材料、氢能、电催化水裂解等方向的研究，在他看来，尽管我国在氢能技术上起步较晚，研发和规模化生产都还处于初级阶段，但他有责任挑起这副重担，拓展和探讨氢能在技术突破、应用场景等方面更多的可能性。

感受探索与求知的乐趣

　　年轻有为是窦玉海的标签，热情坚持是他留给人们的印象。然而，在窦玉海身上能看到的，更多是多年科研沉淀给予他的专业、严谨和从容。他用实际行动证明，科研的道路上只有里程碑，没有终点线，只有无限探索，才能永远求知。

　　学海无涯苦作舟，一直以来窦玉海都对科研工作有着浓厚的兴趣，也正是因为兴趣使然，好奇心驱使着他在本科和研究生阶段不断学习与探索。硕士期间，受到一位同课题组师兄获批国家海外高层次人才回国发展的激励，再加上当他了解到科研的重要性后，窦玉海第一次萌生了投身科研的想法，也想尽自己的力量在科研沃土中大展宏图。

　　在中南大学完成本科和硕士学业后，2013年，窦玉海师从窦世学院士，在澳大利亚伍伦贡大学攻读博士学位。作为伍伦贡大学超导与电子材料研究所创始人，窦世学院士在纳米、储能、氢能、超导与电子材料等领域里的成就影响了一代又一代人，为中国与世界各国共同攻克“双碳”领域的核心关键技术难题搭建起合作的桥梁，也为实现全球“碳中和”目标贡献了巨大的力量。在导师窦世学的指引和帮助下，窦玉海在博士期间找准了研究方向并取得了一系列丰硕的研究成果，他也逐渐建立起从事科研的信心。

　　博士期间，窦玉海主要致力于原子级超薄材料的合成和应用研究工作。在导师的启蒙下，窦玉海先后针对燃料敏化太阳能电池、二次电池、超级电容器和浸润材料等不同方向开展探索，一点点摸索着属于自己的研究目标。

　　尽管自身已经具备了一定的理论基础与实践经验，但从本科和硕士的粉末冶金专业，一步跨越到博士时期新能源材料的合成，让窦玉海还是有些“吃不消”。他直言：“博士的前两年有些难熬，但好在有窦世学院士的支持和关怀，我及时调整心态，找准研究方向，科研工作也走向正轨。”窦玉海勤于钻研，经过不断尝试和研究，在博士期间合成了原子级超薄二维过渡金属化合物，其具备良好的电催化水裂解性能，对基础科学和应用技术研究的开展有重要意义。

　　此后的科研中，澳大利亚科研院院士、工程院院士赵惠军为窦玉海提供了无私的帮助。“赵老师拥有丰富的基础科学和产业化研究经验，且一直毫无保留地为学生传输经验和知识，期望学生都能够茁壮成长，在各行各业发光发热，为国家的科研事业作出贡献。”同时，江雷院士、孙子其老师都为窦玉海的科研成长打下了坚实的专业基础，锻炼了优异的学术素养。

　　得益于恩师教导，随着对科研了解得愈加深入，窦玉海更加体会到，只有将自己感兴趣的方向与专业特长结合起来，才能够保持足够的科研热情与不断前进的动力。他感受到氢能正在快速成为助推我国经济产业绿色低碳、高质量可持续发展的重要引擎，是当前和未来科研及产业化的重点发展方向。

　　于是，窦玉海明确了科研思路和规划，最终确定了自己的研究方向，他将电催化水裂解作为研究突破口，自此开始了一段崭新的科研之路。

制氢路上的苦与乐

　　科研是一项艰辛、漫长又极易遇挫的工作，窦玉海于理论中充实自我，于实践中锻炼自我，享受着苦与乐并存的氢能技术研究之旅。

　　当前，我国加速发展氢能产业，在氢能制备、储运、基础设施建设等方面已取得多个突破性进展，产业链也已具雏形，但当前各种制氢技术仍面临大量未解决的问题。进一步促进氢能产业高质量发展，是窦玉海一直在努力的目标，凭着一股不解决问题不罢休的韧劲，他逐步成长为一名专业技术精湛、实践经验丰富的科研团队带头人。

　　“读万卷书，行万里路”。国外这段求学经历，让窦玉海学会如何探索和挑战，找寻人生更多的可能性。2023年，窦玉海选择回国，他跟随窦世学院士和刘化鹍院士全职加盟上海理工大学，并助力学校成立能源材料科学研究院，还入选了上海市领军人才（海外）和沪江领军人才。

　　回国后，学校在科研场地、实验平台、人才引进等方面都给予大力支持，让窦玉海研究得更加安心。目前，他研发的廉价高效碱性电解水催化等相关技术获得国内多家新能源企业的认可，并已经签署了战略合作协议，就产业化研究开展多项工作。

　　虽然回国才短短一年时间，但“永不满足”的窦玉海始终在探索中超越。他针对电解水制氢和燃料电池领域开展研究工作，先后主持了国家级海外引才专项、上海市海外高层次人才计划、太仓科技领军人才等多个科研项目，成果颇丰。

　　研究过程中，窦玉海不止一次强调，利用可再生能源发电驱动电解水制氢，最重要也最不能忽视的是要实现真正意义的零碳排放，这也是未来解决人类能源危机和环境污染问题的关键“法宝”。然而，摆在眼前的情况不容忽视：碱性水电解在水电解行业中占主导地位，技术相对成熟，设备造价低，是实现大规模生产氢的重要手段，但目前商用碱性电解水制氢存在着电极活性低、制氢能耗较大等问题，导致其规模化发展严重受阻。

　　开发廉价且高效的水裂解催化剂有助于推动氢能源的商业化应用。据窦玉海介绍，要想提高水裂解催化性能，增加活性位点数量、提升本征催化活性是重点，而材料的结构优化和缺陷活化是实现这一目标的有效途径。在他看来，尽管原子级超薄二维材料还是一种新兴的纳米材料，但自带很多传统纳米结构不具备的优势：合适的原子层厚度利于提高活性；高比表面积不仅为催化反应提供充足的活性位点，还可充分进行活化；部分材料表面富含悬挂键，极易优化电子结构；独特的超薄二维结构，更易获取精确的缺陷结构和局域电子态；材料的清晰缺陷及配位环境，可为理论计算提供理想模型，有助于深入揭示催化反应机理。

　　因而，窦玉海也明确了进一步提高水裂解催化性能的突破口，那就是开发原子级超薄3d过渡金属基催化剂，并充分发挥其超薄二维结构的优势。目前，窦玉海借助原子级超薄材料的原子层厚度、高比表面积和高活性表面等结构优势，探索了双缺陷的协同活化机制，最终通过缺陷活化的方式显著优化了材料的电催化性能，研制出性能良好、更具实际意义的电解水制氢催化剂，成功应用于碱性电解槽、质子交换膜电解槽、阴离子交换膜电解槽等。

　　窦玉海在科研过程的每一步都走得很踏实。从短期看，未来电解水制氢催化剂所制得的氢气将在燃料电池和冶金等行业大放光彩，实现廉价高效电解水制氢催化剂（电极）和燃料电池催化剂的产业化应用；而从更长远来看，其不仅能带来实实在在的经济效益，还可在助力我国双碳目标达成、实现绿色发展上发挥重要作用。