随着全球能源转型不断推进，如何实现二氧化碳资源化利用成为国际科技界关注的重要课题。固体氧化物电解池（SOEC）因其能耗大幅降低、产物灵活可调，且能与风电、光伏等间歇性可再生能源深度耦合等独特优势，展现出不可忽视的价值。
中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）副研究员宋月锋正站在SOEC这一前沿领域的舞台上。
从吉林大学化学学院的青涩学子，到大连化物所的博士生，再到破格提拔的副研究员——宋月锋的成长弧线，清晰勾勒出一位青年科研工作者的成长轨迹：在基础科学的好奇心与国家需求的交汇处，找到属于自己的深耕之地。
“四两拨千斤”的催化剂
宋月锋与催化的缘分，始于本科时期的一丝“着迷”。
“催化剂虽然用量不大，却能够显著改变反应效率和产物选择性，这种‘四两拨千斤’的作用让我非常感兴趣。”回顾当初为何选择催化方向，宋月锋这样说道。
随着学习深入，他发现催化不仅具有重要应用价值，同时蕴含着丰富的科学问题：活性位点如何形成？反应分子如何被活化？材料结构如何影响反应路径？正是这种基础科学与实际应用紧密结合的特点，让他最终决定在催化领域持续探索。
2014年，宋月锋从吉林大学化学学院本科毕业，进入大连化物所深造。做出这一选择时，他几乎没有犹豫。“大连化物所在催化科学和能源研究领域具有深厚积累，而包信和院士团队在能源催化方向处于国际前沿。”宋月锋说。
读博期间，包信和院士的一句话深深影响了他——“从国家需求中凝练科学问题”。“包老师让我认识到，科研不仅是发表论文，更重要的是解决国家发展过程中面临的关键问题。”宋月锋说，“这不仅奠定了我的研究方向，也塑造了我的科研观。我们要始终围绕国家能源战略需求开展研究，同时注重从基础科学问题出发寻找创新突破。”
2020年博士毕业后，宋月锋以“优秀青年博士人才”身份被破格提拔为副研究员。“当时更多感受到的是责任。”宋月锋坦言，“从学生到独立科研人员，最大的变化不是身份，而是需要开始独立思考科学问题、申请项目、培养学生和组织团队。”
带着这份责任，宋月锋开始了新的跋涉。从基础研究到应用探索，他越来越清晰地意识到，真正的前沿突破，往往蛰伏在学科交叉的“重要地带”里。而SOEC，恰恰就是这样一片亟待深度挖掘的“宝藏”。
从“仓库”到“前线”的科学突围
SOEC既能利用电能与高温热能协同驱动二氧化碳转化，在能源效率和产物灵活性上独具优势，又能与风电、光伏等可再生能源“联手”，将间歇性电能高效转化为化学能储存起来。
“我认为这是一个兼具科学价值和现实意义的重要方向，因此选择长期投入其中，希望能够为未来绿色能源体系建设贡献自己的力量。”宋月锋说。
高温，正是SOEC的显著特点之一。在高温下，部分反应能量可由热能直接提供，所需电能因此大幅降低；同时，高温还能加速反应分子活化，提升反应速率和转换效率。然而高温也是一把双刃剑——长期运行中，电极材料易发生结构演变、界面失效和性能衰减。如何在高温下同时兼顾高活性与高稳定性，成为SOEC领域亟待攻克的科学难题和技术瓶颈。
面对这一挑战，宋月锋团队将突破口锁定在阳极材料的“晶格氧”上。他们通过精准设计材料的晶体和电子结构，高效活化晶格氧物种，从而为高温析氧反应“提速”。宋月锋用一个生动的比喻：“如果把催化材料比作一个仓库，那么晶格氧就像仓库里的储备力量。传统情况下，这些氧主要起结构支撑作用，但如果能够让它们更容易参与反应，就相当于把储备力量调动到了前线。”
与此同时，团队还将CnH2n+2（低碳烷烃）电化学氧化反应耦合到SOEC阳极，利用阳极析氧反应生成的氧物种活化转化烷烃生成高附加值化学品。这一方法不仅有效降低了二氧化碳电催化还原反应开路电压和能耗，还推动了电极两侧反应物的转化升级，为拓展SOEC的功能多样性提供重要支撑。
目前，团队已成功实现甲烷、乙烷和丙烷的电催化转化，产物涵盖合成气、一氧化碳及多种高值化学品前驱体。与传统工艺相比，该策略充分发挥了SOEC的高温优势，显著压减整体能耗，提升原料利用效率。
从电池“跨越”到工业化
基础研究站稳脚跟后，团队果断将目光投向千瓦级SOEC电堆的二氧化碳电催化还原反应扩大性示范项目上。
“最大的挑战不仅仅在于材料本身，更多在于系统层面的协同优化。”宋月锋坦言。一次长时间运行测试中，实验室单电池性能表现优异，但组装成电堆后却出现明显性能衰减。
团队连续排查多天，从材料、电连接、密封到流场设计逐一分析，最终发现问题来自电堆内部局部温度分布不均。通过优化流场结构和热管理方案，电堆性能得到明显改善。
“这次经历让我深刻认识到，从实验室成果走向产业化，工程问题往往比材料问题更加复杂，也更加考验团队协作能力。”宋月锋说。SOEC研究本身就是一个典型的交叉学科领域，需要材料、催化、电化学、原位表征以及工程放大等不同背景的研究人员共同参与。
团队又开发了一系列高温电化学原位表征技术，如原位XPS、原位XRD、原位XAS、原位MS等，为揭示高温电极反应机理提供了重要参考。
做高温原位表征时，经常需要“蹲守”同步辐射光源。“同步辐射机时非常宝贵，经常需要连续工作几十个小时。”宋月锋回忆，印象最深的一次实验是在深夜发现关键信号异常，团队成员和线站工作人员一起连续逐步排查，经过数个小时的调整和补救，最终成功获得了重要数据。“科研过程中确实会经历很多枯燥和辛苦，但当真正看到关键结果出现时，所有付出都会变得值得。”
面向大规模工业化远景，宋月锋认为最大的挑战来自两个方面：一是长期稳定运行能力，二是系统成本控制。“实验室中获得优异性能并不困难，但要实现数万小时稳定运行，同时具备经济竞争力，还需要持续攻关。”目前，团队正在围绕高性能电极材料设计、失效机制研究、电堆集成以及工程放大等方面开展系统布局。
“我希望未来能够真正实现把二氧化碳从排放物变成资源。”宋月锋说，“利用可再生能源驱动二氧化碳转化为燃料和化学品，不仅能够减少碳排放，还能够构建新的绿色碳循环体系。”
对于有志于投身电化学或负碳技术的年轻学子，宋月锋也分享了自己的心得：“首先要保持好奇心，找到自己真正感兴趣的问题。其次要有长期积累的耐心——科研很少有一蹴而就的成功，很多成果往往来自长期坚持和不断试错。最后要勇于面对失败。失败并不可怕，关键是从失败中总结经验、不断调整方向。只要坚持探索，总会有光。”（文/孙丹宁 图/宋月锋）
