用于电动汽车中燃料电池氧还原反应的生物质衍生的绿色电催化剂

制造业

本成果依托北京市自然科学基金国际科学家项目（1S24072），围绕电动汽车燃料电池氧还原反应（ORR）生物质衍生绿色电催化剂开展研究，依托北京化工大学材料科学与工程学院完成技术攻关，目前已形成从实验室制备到性能验证的完整技术链条，成果成熟度、工艺稳定性与催化性能均达到实验室小试成熟阶段，具备向中试放大与应用转化的基础条件。 一、技术成熟程度 项目负责人Mohamedazeem M. Mohideen博士长期从事生物质基ORR电催化剂研究，已在Carbon、Renewable and Sustainable Energy Reviews、Journal of Energy Chemistry等TOP期刊发表17篇SCI论文，授权多项相关专利，前期以虾蟹壳废弃物为原料，成功开发出具有自活化行为的壳聚糖基碳球电催化剂，实现酸性与碱性介质下稳定ORR催化，为本次成果转化提供扎实前期积累。 当前核心技术已完成实验室全流程验证，突破生物质原料筛选、可控碳化、活性位点调控三大关键技术瓶颈，催化剂制备工艺可稳定重复，催化性能达到商用铂碳催化剂替代水平，技术成熟度处于实验室小试完成阶段，无明显技术缺陷，具备中试放大可行性。 二、工艺指标参数 1.原料与制备工艺。选用我国丰产的农作物秸秆、林业废弃物、城市有机垃圾等生物质，来源广泛、成本低廉，年可利用量超34.94亿吨，满足规模化生产需求。采用微波辅助热解+酶法预处理耦合技术，热解温度区间600–900℃，保温时间1–3h，活化剂用量低、无有毒试剂添加，符合绿色化工要求。流程短、能耗低、碳转化率高，可实现原料到催化剂的一步法制备，易于放大生产。 2.材料结构与形貌指标。比表面积≥1200m��/g，多级孔道结构完善，传质效率优异。形成高密度M-N��与吡啶N、石墨N活性位点，位点分布均匀、结构稳定。纳米级碳球/多孔碳片形貌，粒径可控在50–200nm，分散性良好。 3.电催化性能指标。半波电位：酸性介质中≥0.82V（vs. RHE），碱性介质中≥0.88V（vs. RHE），接近20%商用铂碳催化剂水平。极限扩散电流密度≥5.5mA/cm��，氧还原动力学性能优异。酸性介质中循环10000圈后电流保留率≥85%，无明显活性衰减。高浓度甲醇环境下无明显中毒现象，适配燃料电池复杂工况。 4.成本与环保指标。原料成本不足铂基催化剂的1/50，规模化后成本进一步降低。全程无重金属污染，废弃物资源化利用，碳足迹显著低于传统催化剂。 三、成果转化阶段 本成果当前处于实验室小试成熟、待中试验证与工程化开发阶段，具体进展如下： 1.基础研究阶段（已完成）。完成生物质原料筛选、催化剂配方优化、结构表征与电 化学性能测试，明确催化机理与活性位点调控机制，形成完整基础研究体系。 2.实验室小试阶段（已完成）。建立克级制备工艺，实现批次间性能重现性良好，完 成PEMFC单电池测试，功率密度与稳定性满足车用燃料电池初步要求。 3.中试准备阶段（进行中）：完成中试工艺路线设计，确定连续化制备设备参数，与 校内化工中试平台对接，具备百克级至公斤级放大条件。 4.应用对接阶段（启动中）：面向燃料电池车企、电堆与膜电极（MEA）企业开展性 能对标测试，初步达成合作意向，可快速嵌入现有燃料电池产业链。 四、转化优势与基础条件 本成果以可再生生物质为原料，突破铂基催化剂高成本、资源稀缺瓶颈，同时解决非贵金属催化剂活性位点难调控、稳定性不足的行业痛点，兼具低成本、高性能、绿色可持续三大核心优势。依托北京化工大学材料表征平台、电化学测试平台与燃料电池测试平台，可提供全流程转化支撑；项目团队具备材料合成、器件集成、生命周期评价等全链条能力，可高效推进成果从实验室走向产业化。 总体而言，本成果技术成熟、性能达标、阶段清晰，已具备开展中试放大、膜电极集成与市场化应用转化的坚实基础，是燃料电池领域绿色低成本催化材料的优质转化项目。

本项目聚焦电动汽车燃料电池生物质衍生绿色电催化剂，已完成实验室小试验证，性能接近商用铂碳催化剂，具备低成本、绿色可规模化转化潜力。为推动成果从实验室走向工程化、产业化，现面向行业企业、科研平台公开寻求转化合作，具体合作需求如下： 一、成果转化总体目标 通过产学研协同，完成电催化剂公斤级中试工艺定型、膜电极集成验证、车用工况适配优化，形成可量产的制备技术与产品标准，最终实现燃料电池非贵金属氧还原电催化剂的市场化供应，降低燃料电池车核心材料成本，支撑氢能与燃料电池产业高质量发展。 二、对合作方资金要求 1.合作投入规模：拟寻求300万—500万元转化合作资金，用于中试线建设、工艺放 大、性能验证、市场对接及知识产权运营。 2.资金使用方向：中试设备购置与改造、原材料采购、电化学与燃料电池测试、人员 薪酬、资质认证、市场推广等。 3.出资方式：合作方可采用直接投资、技术入股合作、联合申报产业化项目等模式， 资金需按项目节点及时到位，保障中试与产业化推进节奏。 4.资金管理：双方共同设立项目专用账户，按预算规范使用，定期审计，确保专款专 用。 三、对合作方场地要求 1.场地规模：需提供不少于500平方米的产业化转化场地，包含中试生产区、 材料制备区、电化学测试区、样品存储区、办公辅助区等功能分区。 2.场地条件：满足化工材料中试安全规范，通风、供电、给排水、消防系统齐全；可 承载热解炉、活化装置、混合分散设备等重型仪器；具备危废暂存、废气处理基础条件，符合环保与安全生产要求。 3.区位与配套：优先选氢能与燃料电池产业园区或新材料产业基地，交通便利，便 于原料运输、产品送检及上下游对接。 4.使用期限：提供3年以上稳定使用权限，保障成果从中试到量产落地的连续性。 四、对合作方设备要求 1.制备类设备：具备或配套投入连续式生物质预处理设备、微波热解炉、高温碳化炉、掺杂改性装置、粉碎筛分设备、干燥设备等，满足公斤级连续化制备需求。 2.表征与测试设备：具备SEM、XRD、BET、XPS等结构表征条件，或可共享第三方平台；配套旋转圆盘电极（RDE）、旋转环盘电极（RRDE）、燃料电池单电池测试系统，实现催化性能与工况稳定性快速评价。 3.辅助设备：供料、温控、尾气处理、纯水制备、称量、搅拌等配套设备齐全，保障工艺稳定与实验安全。 4.设备升级：合作方需支持根据中试进展进行设备改造与参数优化，确保匹配催化剂制备工艺要求。 五、对合作方人员要求

1. 技术研发人员：配备2—3名材料、化工、电化学相关专业工程师，熟悉碳材料制备或燃料电池产业链，参与工艺放大、性能调试与质量管控。
2. 工程化人员：配备1—2名中试生产与设备运维人员，具备化工中试线操作经验，保障连续化生产稳定运行。
3. 管理与市场人员：配备项目管理与市场对接人员各1名，负责项目推进、资源协调、客户对接及行业资质申报工作。
4. 团队协作：合作方人员需相对固定，全程参与成果转化，与北京化工大学团队形成研发—中试—应用闭环协作。 六、合作方资质与能力要求 1.行业背景：优先选择燃料电池电堆、膜电极、催化材料、氢能装备相关企业，或具备新材料产业化经验的高新技术企业。 2.资质条件：具备合法经营资质、环保与安全生产相关许可，拥有完善的质量管理体系。 3.产业资源：拥有燃料电池行业客户渠道、供应链资源或政策申报渠道，可加速成果市场化落地。 4.合作意愿：认同产学研转化模式，承诺保护项目知识产权，长期稳定投入，共同推进技术迭代与产品升级。 七、合作模式与权益分配 1.合作模式：采用技术转让、联合开发、持股孵化等灵活方式，共建中试平台与产业化基地。 2.权益分配：按双方投入比例共享成果收益、共同申请专利与科技奖励；项目团队提供全程技术支撑，合作方负责工程化与市场落地。 3.成果归属：转化过程中形成的新工艺、新产品、新专利，由双方共同享有，按协议约定使用与分配。 八、转化预期成果 1.建成公斤级生物质电催化剂中试线，批次性能稳定达标； 2.形成企业级产品标准与制备工艺规范； 3.完成膜电极集成与单电池验证，实现车用场景适配； 4.推动成果进入燃料电池供应链，实现小批量供货。 本成果技术先进、赛道清晰、成本优势显著，诚邀具备资金、场地、设备与产业资源的优质单位携手合作，共同攻克燃料电池核心材料“卡脖子”难题，推动绿色氢能技术产业化落地。

可国（境）内外转让

本成果为电动汽车燃料电池用生物质衍生绿色电催化剂，依托北京市自然科学基金项目完成实验室小试，技术成熟、性能优异、绿色低碳。成果转化以替代高成本铂基催化剂、推动燃料电池车规模化应用为目标，预计在经济、社会、环境三大维度产生显著效益，为氢能产业高质量发展提供关键支撑。 一、预期经济效益 成果转化核心价值在于大幅降低燃料电池核心材料成本，构建可持 续的商业化盈利模式。当前燃料电池电堆中铂基催化剂占材料成本近50%，本成果以农林废弃物、秸秆、城市生物质为原料，原料成本仅为铂碳催化剂的1/50，规模化生产后综合成本可降低80%以上，显著提升燃料电池车性价比。 转化完成后，可形成公斤级稳定量产能力，按初期年产10吨催化剂计算，可满足约5000辆燃料电池车配套需求，年产值预计突破8000万元，带动上下游材料、装备、测试等环节增收超2亿元。随着市场渗透率提升，量产规模扩大至百吨级，年产值可达5—8亿元，形成新的经济增长点。 本成果可打破国外对高端电催化剂的技术垄断，实现核心材料自主可控，减少贵金属进口依赖，每年可为国家节约大量外汇支出。同时，成果转化将催生新材料制备、膜电极集成、电堆装配等新增岗位，形成技术密集型产业集群，提升区域新材料产业竞争力。 二、预期社会效益 成果转化将加速氢能与燃料电池交通领域商业化落地，助力我国实 现“双碳”目标与能源结构转型。生物质催化剂可显著提升燃料电池耐久性与可靠性，推动商用车、乘用车、物流车等场景规模化应用，改善公众对新能源汽车的接受度，构建绿色交通体系。项目以农林废弃物、城市有机垃圾为原料，推动废弃物资源化高值利用，每年可处理各类生物质数千吨，减少焚烧与填埋带来的环境压力，提升乡村与城市环境治理水平，助力美丽乡村建设与无废城市创建。 技术转化将提升我国在电催化与燃料电池领域的国际话语权，形成具有自主知识产权的核心技术体系，为新能源材料领域提供可复制、可推广的绿色技术范式，带动高校、科研机构与企业协同创新，培养一批跨学科、工程化高端人才。 本成果契合国家“十五五”规划与2060碳中和战略方向，可作为绿色能源技术典型示范，提升我国在全球氢能产业中的地位，为全球交通低碳转型提供中国方案。 三、预期环境效益 本成果全程遵循绿色化学理念，无有毒试剂添加、无重金属污染， 生产过程碳排放仅为传统催化剂的1/3。生物质原料可再生、可循环，契合循环经济要求，从源头降低环境负荷。 催化剂应用于燃料电池可实现交通领域零排放，每万辆燃料电池车每年可减少CO��排放约3万吨，减少氮氧化物、颗粒物等大气污染物排放，显著改善空气质量，降低公共健康风险，助力打赢蓝天保卫战。成果转化形成的全生命周期环境友好型技术，可在能源、材料、环境等领域推广应用，推动化工产业绿色转型，为实现碳达峰、碳中和提供关键材料支撑，生态效益长期显著。 本成果转化兼具高经济收益、强社会价值、优生态效益，可实现“降成本、补短板、促减排、利民生”多重目标。项目不仅能为合作方带来稳定盈利与技术壁垒，更能推动我国燃料电池产业突破成本瓶颈，助力能源革命与绿色发展，经济可行、社会急需、生态友好，具备重大推广价值。

北京市自然科学基金外籍学者“汇智”项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

在全球“双碳”战略与交通领域低碳转型的大背景下，质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为电动汽车核心动力源，具备零排放、高效率、加氢快、续航长等优势，是新能源汽车技术的重要发展方向。但当前PEMFC商用化面临关键瓶颈：阴极氧还原反应（ORR）高度依赖贵金属铂基催化剂，铂资源稀缺、成本高昂，占燃料电池系统成本近50%，同时ORR动力学缓慢、催化剂稳定性不足，严重制约燃料电池电动汽车（FCEV）规模化推广。 我国生物质资源丰富，年产生农林废弃物、畜禽粪便、工业有机废弃物等约34.94亿吨，具备低成本、可再生、绿色低碳的天然优势。本成果立足国家能源安全与材料自主可控需求，聚焦生物质衍生绿色电催化剂研发，旨在替代贵金属铂催化剂，突破燃料电池核心材料“卡脖子”难题，推动燃料电池电动汽车低成本、可持续发展，同时助力生物质资源化利用与循环经济建设，契合联合国可持续发展目标与我国2060年碳中和战略。 本成果围绕电动汽车燃料电池ORR反应需求，攻克非贵金属催化剂活性位点精准构筑、稳定性提升、宏量制备等关键技术，形成三大核心创新： 1.生物质资源化绿色催化制备技术。突破传统催化剂原料依赖化石资源与贵金属的局限，筛选农作物秸秆、林业废弃物、虾壳等农林牧渔废弃物为原料，建立微波辅助热解、酶法预处理等绿色制备工艺，无需高污染试剂、低能耗转化，实现废弃生物质向高活性碳基催化材料的绿色转型，既降低原料成本，又实现固废资源化，符合绿色化学理念。 2.高活性稳定ORR催化位点精准调控技术。针对非贵金属M-N-C催化剂活性位点不明确、稳定性差的行业难题，通过可控掺杂、纳米结构工程，在生物质碳载体上精准构筑高分散Fe-N、单原子催化活性中心，优化电子结构与传质路径，解决ORR动力学缓慢的核心问题。同时创新引入自稳定活化机制，提升催化剂在燃料电池强腐蚀工况下的耐久性，延长使用寿命。 3.全生命周期绿色低碳评价体系 建立覆盖原料、制备、应用、回收的催化剂全生命周期分析方法，量化能源消耗、碳排放与环境影响，形成兼顾催化性能、成本与环保性的优化方案，为生物质催化剂产业化应用提供科学依据，填补行业内绿色评价标准空白。 本项目关键技术指标与性能优势有：

1. 催化性能：生物质衍生电催化剂的ORR活性、半波电位、极限电流密度对标商用Pt/C催化剂，部分指标实现超越，甲醇耐受性、循环稳定性优于传统铂基催化剂，满足车用燃料电池工况要求。
2. 成本优势：原料采用农林废弃物，制备工艺绿色简化，催化剂成本较铂基降低60%以上，大幅降低燃料电池系统造价，提升FCEV市场竞争力。
3. 绿色低碳：全程无贵金属消耗、无高污染排放，实现废弃物高值化利用，碳足迹显著低于铂基催化剂，契合零碳能源发展方向。
4. 适配性强：可直接集成于商用PEMFC膜电极，无需改动现有器件结构，兼容车用燃料电池规模化生产体系。 本项目由北京化工大学刘勇教授团队与印度籍博士后Mohamedazeem M. Mohideen联合攻关，团队在静电纺丝、燃料电池催化材料、生物质能源化利用领域深耕多年，具备坚实科研积累。 项目负责人Mohamedazeem M. Mohideen博士长期从事生物质基ORR催化剂研究，以第一/通讯作者在《Carbon》《Renewable and Sustainable Energy Reviews》《Journal of Energy Chemistry》等TOP期刊发表SCI论文17篇，研究成果获国际学术会议优秀报告奖；团队核心成员涵盖材料、化工、电化学等多学科领域，拥有国家级科研项目经验与成果转化能力。 依托单位北京化工大学为“双一流”建设高校，拥有1.2亿元仪器设备、1850㎡科研场地，配备全球最全静电纺丝装备集群、膜电极测试平台与中试条件，为成果研发与工程化提供全链条支撑。 本成果可广泛应用于燃料电池电动汽车、分布式氢能发电、便携式电源等领域，核心价值体现在三方面： 1.产业突破：替代铂基催化剂，实现燃料电池核心材料国产化自主可控，打破国外技术垄断，推动我国氢能与燃料电池产业跨越式发展。 2.经济增效：降低FCEV制造成本，加速商业化普及，带动氢能储运、燃料电池制造、生物质资源化等上下游产业协同发展。
5. 社会环保：推动农林废弃物资源化利用，减少化石能源与贵金属消耗，降低交通领域碳排放，助力“双碳”目标落地与生态环境保护。 总之，本项目以生物质衍生绿色电催化剂为核心，攻克燃料电池氧还原反应贵金属依赖、成本高、稳定性差等关键难题，形成绿色制备、活性调控、全生命周期评价三大核心技术，有低成本、高活性、长寿命、绿色低碳的显著优势。可为我国电动汽车燃料电池产业升级与双碳战略实施提供核心技术支撑。