问题——氢能是实现能源转型的重要方向，燃料电池能够将氢能直接转化为电能，具有零排放、高效率等优势；碱性膜燃料电池由于可能使用低铂或无铂催化剂，被认为在成本上更具竞争力。然而，碱性环境下阳极氢气氧化反应速率较慢，比酸性体系低约两个数量级，导致需要更高的催化剂负载和更大的电堆体积才能达到相同功率密度，这削弱了其低成本优势。此瓶颈长期阻碍了碱性膜燃料电池的规模化应用。 原因——业内普遍认为，开发高效的非贵金属催化剂是关键。镍因其资源丰富、成本低且具有一定催化活性，被视为理想候选材料之一。但纯镍对氢的吸附过强，对氢氧根的吸附偏弱，导致反应界面难以平衡“吸附—反应—脱附”过程，限制了其催化活性。此外，碱性环境中氢氧根等反应物的传递效率也受到界面微环境（如局部电场和氢键网络结构）的显著影响。因此，催化剂不仅需要具备活性，还需优化反应物的传递路径。 影响——针对这些问题，赵旭团队聚焦氮化镍材料，并引入纳米孪晶结构设计。氮化处理可优化镍对氢和氢氧根的吸附性能，改善反应界面化学环境；而纳米孪晶结构能够调控界面电场强度，增强氢键网络的连通性和稳定性，从而提升氢氧根的传递效率。团队采用低温孪晶化策略，以简单工艺制备出结构可控的氮化镍纳米孪晶催化剂，从微观层面提高了碱性氢氧化反应的动力学性能。 对策——团队通过单原子调控手段，在氧化态镍前驱体中诱导形成氮化镍纳米孪晶结构，实现了界面电场和传质条件的协同优化。实验表明，该催化剂的碱性氢氧化活性明显提高，质量活性达到商业铂碳催化剂的5倍左右。同时，该催化剂还表现出优异的抗一氧化碳中毒能力和长期稳定性。业内人士指出，抗中毒能力和耐久性是燃料电池在实际应用中可靠性的关键指标，直接影响其从实验室走向工程化应用的可行性。 前景——如果无铂或少铂催化剂能在碱性膜燃料电池中实现高活性和高稳定性，将显著降低氢能应用成本，并为交通、分布式发电等领域提供更多选择。然而，研究成果的产业化仍面临多重挑战：一是规模化制备的一致性和可重复性；二是催化剂与电极层、膜电极组件的工程适配；三是全电池和电堆条件下的长期衰减机制评估；四是综合成本控制和供应链保障。随着氢能产业链完善和材料国产化水平的提高，新型催化剂有望在示范应用中率先落地，推动碱性膜燃料电池在细分市场的突破。
从“替代贵金属”到“优化反应界面”，催化研究正从单一成分转向结构与机理的系统创新。在绿色低碳转型的背景下，谁能以可控成本将实验室的高活性和长寿命转化为实际应用性能，谁就更有可能推动氢能技术从“可用”升级为“好用、耐用、用得起”。氮化镍纳米孪晶的研究为这个目标提供了新的科学支撑和产业潜力。