塑料、药品及消毒剂等日常化工产品的生产，高度依赖氯、溴等化学元素。然而，工业界在如何更高效利用这些元素方面仍面临诸多挑战。以氯气生产为例，传统工艺不仅耗电巨大，还严重依赖钌、铱等昂贵贵金属催化剂。鉴于行业规模庞大，即便仅降低1%的电耗，也能带来显著的节能效益。
与此同时，含氯废弃物如聚氯乙烯（PVC）的处理也是一大难题。若能将废塑料中的氯提取并重新用于化学品生产，将有效减少污染并提升资源利用率。香港城市大学助理教授杨嘉睿长期致力于电催化研究，旨在通过电能驱动化学反应，优化传统化工过程。凭借在有机小分子催化卤素反应领域的突破，他入选了2026年度《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”亚太区名单。
从电池到卤素电催化：实验意外催生新路径
杨嘉睿的研究历程经历了多次关键转折。本科期间，他从电池研究转向电催化，并于2018年左右聚焦于当时研究者较少的氯碱工业析氯反应。攻读博士期间，他冒着风险从金属单原子催化剂转向被认为活性有限的有机小分子催化，最终建立了一套关于卤素活化和自由基调控的研究体系。
这一转变源于一次意外发现。团队原本尝试利用含酰胺基团的有机小分子处理二氧化碳，却在含卤素电解液中意外发现，该类分子在特定条件下能高效催化氯离子转化为氯气，性能媲美部分贵金属催化剂。机制研究表明，这涉及有机小分子形成自由基并与氯离子反应的过程。
图｜有机小分子催化制氯原理及氯碱工业阳极材料演进示意（来源：Nature）
为何重访成熟的氯碱工业？
尽管氯碱工业发展成熟，但其全球发电量占比高达2%-3%，微小的效率提升即可释放太瓦时级的节能空间。传统尺寸稳定阳极虽寿命长，但依赖贵金属且在新型反应介质中适应性有限。杨嘉睿团队旨在通过新型催化剂降低对贵金属的依赖，并为更多卤素转化场景提供选择。
催化剂选择的逻辑
从金属单原子到有机小分子，催化剂的选择取决于反应物的酸碱性质、键能等物理化学特性。目标是为具体反应找到最合适且低成本的路径，而非单纯追求某类材料。
实验室数据如何转化为工业节能？
评价电催化反应需综合考量电流密度（生产速度）、过电位（能耗）和选择性（产物纯度）。工业应用更看重在满足产能需求下的长期稳定性与综合能效。
节能估算与放大挑战
团队基于工业相关电流密度下的实际槽压测算节能潜力。然而，从实验室到大规模生产，还需验证电压波动、传质效率及局部电流分布等放大效应。只有经过长期运行检验，才能确认真实的节能效果。
构建废塑料氯循环闭环
传统氯碱工业从盐水取氯，而废弃PVC中的氯则是处理难点。杨嘉睿团队提出“氯循环”概念：在电化学体系阴极使PVC脱氯释放氯离子，迁移至另一侧生成含氯化学品，从而实现资源回收。
图｜基于单原子催化剂的氯循环研究示意及材料表征（来源：Nature）
迈向工业回收的关键 hurdle
目前该路线仍处于概念验证阶段，距离工业化尚有关键环节需突破：
- 原料预处理：真实PVC含有增塑剂、杂质等，需建立有效的分选和预处理方案以适应电极反应。
- 物料闭合：需解决电解液、添加剂的回收及副产物处理问题，以确保经济性和环境收益。
- 设备防腐：含氯体系对隔膜、密封及管路防腐要求极高，需进行真实混合PVC的连续运行测试及物料平衡核算。
溴介导丙烷脱氢：低温下的新可能
受工业催化剂积碳再生思路启发，团队探索利用电化学产生的活性溴物种介导丙烷脱氢。在该体系中，溴离子在阳极转化为活性物种，活化丙烷生成中间体，随后在阴极生成丙烯，溴则恢复原状进入循环。这种方法有望在更温和条件下实现碳氢键活化。
图｜有机小分子催化制氯原理及氯碱工业阳极材料演进示意（来源：Science）
理性看待选择性与经济性
虽然实验室数据显示丙烯选择性超98%、纯度超99%，但工业价值还需考察单程转化率、总收率、电耗及溴损耗率等指标。低温虽减少供热需求，但电化学路线增加了电力、循环及设备维护成本。必须进行全流程物料与能量衡算，并与传统工艺的热集成、分离流程进行系统比较，才能判断其真正的节能与经济优势。
从催化剂到反应器：产业应用的最后一步
杨嘉睿指出，卤素电催化的核心科学问题在于精确控制电极界面卤素物种的价态、分布及寿命，使其高反应性仅在必要时出现。当前最容易被低估的困难是全流程的能耗、经济性以及材料与设备的匹配度。
未来展望与评估标准
未来三至五年，研究重点是将卤素循环从概念验证推进至连续、可核算的规模放大。评估进展的标准包括：
- 能否处理真实原料并长期稳定运行；
- 能否给出闭合的卤素、碳元素及能量衡算；
- 产品是否达标，且介质损耗、碳排放及风险可控。
最终，只有通过独立的技术经济分析和生命周期比较，证明新路线相对现有工艺具有明确优势，且高活性与长期稳定性在实际工况下并存，才算真正取得了突破。
注：封面/首图由 AI 辅助生成