塑料、药品、消毒剂，以及许多日常使用的化工产品，都离不开氯、溴等化学元素。但在工业生产中，如何更高效地利用这些元素，仍然有许多值得探索的问题。

以氯气生产为例，传统工艺需要消耗大量电力，还依赖钌、铱等昂贵的贵金属催化材料。虽然相关技术已经发展了数十年，但由于整个行业规模庞大，哪怕只降低百分之一的电耗，也可能带来相当可观的节能效益。

另一方面，氯也可能成为工业废弃物处理中的难题。例如，广泛用于管道、建材的聚氯乙烯（PVC），报废后由于含有大量氯，处理不当可能产生有害物质。如果能够将废塑料中的氯重新提取出来，用于生产其他化学品，就有机会减少污染，同时提高资源利用效率。

这些看似不同的问题，正是香港城市大学助理教授杨嘉睿近年来关注的研究方向。

杨嘉睿长期从事电催化研究，希望利用电能驱动化学反应，让一些传统化工过程变得更加高效。本科期间，他最初研究多种电化学反应，后来逐渐转向氯、溴等元素参与的化学反应。

一次意外的实验发现，让他的研究有了新的进展。原本，团队正在尝试利用有机小分子处理二氧化碳，却意外发现，这些通常被认为催化活性有限的分子，在特定条件下也能帮助氯离子转化为氯气，表现出与部分贵金属催化剂相媲美的活性。

这一发现让他开始重新思考，能否减少对贵金属的依赖，为传统化工反应寻找新的催化方式？

此后，杨嘉睿与团队的研究逐渐延伸到更多方向。他们尝试从废弃 PVC 中回收氯，还利用溴参与丙烷转化为丙烯的反应。后者是塑料等化工产品生产中的重要环节，传统工艺通常需要较高温度，而团队探索的新方法，可以在更温和的条件下进行。在这一过程中，溴参与反应后又重新回到原来的状态，有望被反复利用。

不过，实验室里能够实现的反应，距离真正进入化工厂还有很长的路要走。催化剂能否长期稳定工作，反应过程是否更加节能，以及新工艺能否降低实际生产成本，都需要进一步验证。这也是杨嘉睿越来越关注的问题。

凭借在电催化领域的系列研究，杨嘉睿入选了 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。近日，Deep Tech 与杨嘉睿进行了对话，从一次偶然的实验发现聊起，谈到了他如何一步步形成自己的研究方向，以及这些新的化学反应，未来有没有可能真正走进工厂。

以下是 DeepTech 与杨嘉睿的对话。

从电池研究到卤素电催化：一条由实验结果推动的研究路线

DeepTech：从本科阶段进入实验室，到后来聚焦卤素介导反应，你的研究方向经历了哪些关键转折？

杨嘉睿：我本科大一就进入实验室，最早研究的是电池，后来开始做电催化，尝试过不少反应。大概从 2018 年开始，我们逐渐把注意力放在氯碱工业的析氯反应上。当时关注这个反应的研究团队还不算很多，我们起步相对较早，这成为研究方向中的第一个重要转折。

第二个转折发生在从本科进入清华读博之后。此前我更多研究金属单原子催化剂，后来决定尝试有机小分子催化。这个选择有一定风险，因为大家通常认为有机小分子的催化活性很难与金属相比，更不用说贵金属。我们当时并不知道这条路线能不能做出来。

后来经过大量筛选和实验，我们找到了几类能够规模化制备、同时有潜在应用价值的有机小分子，也慢慢形成了关于卤素活化和卤素自由基调控的一套研究思路。回过头看，选择析氯反应、从金属转向有机小分子，再到建立自己的卤素介导反应体系，是几个比较关键的节点。

（Nature）

DeepTech：氯碱工业已经发展了很长时间，为什么仍值得重新研究析氯反应？传统电极的局限主要在哪里？

杨嘉睿：我觉得吸引人的地方恰好是它已经很成熟，却又非常复杂。氯碱工业发展了很长时间，生产规模特别大。按照我们研究时参考的行业规模估算，它的电耗大约相当于全球发电量的 2%—3%。因此，即使整个工艺的电耗只降低 1%—2%，放到全球范围也可能是太瓦时级别的节能空间。对于这种体量的产业，小幅改进也有意义。

但要改进它并不容易。析氯阳极长期处在强氧化、强腐蚀的工作环境中，要求催化剂同时具备较低能耗、较高选择性和很长的使用寿命。传统的尺寸稳定阳极通常在钛基底上使用钌、铱等贵金属氧化物，活性和稳定性已经做得很好，有些体系能在工业条件下运行十年甚至更久。

它的问题主要在于贵金属用量，以及在部分新的反应介质和卤素转化场景中，已有电极的选择性与适应性未必理想。我们研究新的催化剂，并不是说成熟电极没有价值，而是希望找到降低贵金属依赖的方法，也为传统氯碱工艺之外的反应提供更多选择。

DeepTech：你曾提到，有机小分子催化路线的起点来自一次意外发现。那次实验发生了什么？

杨嘉睿：最开始我们想做的是利用含有酰胺基团的有机小分子进行二氧化碳电还原和捕获，并没有直接把它当作析氯催化剂来设计。有一次在含卤素的电解液体系里实验，我们意外发现，二氧化碳的存在能够促进这类小分子的反应活性，使它在析氯反应中表现出接近贵金属催化剂的性能。

这个结果之所以让我们意外，是因为当时的认识里，有机小分子很难达到这样的活性。我们此前一直做金属催化，对有机小分子究竟怎样参与电极反应，其实也没有很清楚的答案。

之后我们做了很多反应机制方面的研究，发现可能涉及有机小分子形成自由基，再由自由基与氯离子发生反应，使氯离子转化为氯气。这个发现让我们意识到，催化活性未必只能来自传统意义上的金属位点，也推动了后面一系列有机电催化和卤素介导反应的研究。

DeepTech：从金属单原子到有机小分子，你如何判断某个反应应该采用哪一类催化剂？

杨嘉睿：其实，我们早期的出发点很直接。传统电极使用钌、铱等贵金属，我们先尝试把钌做成单原子，希望减少用量，从而降低材料成本。2025 年发表的那项氯循环研究，最早在 2017 年左右就开始做了，中间经历了很长时间，也反映出这些反应开发并不是线性的过程。

在研究金属位点的过程中，我们注意到金属上吸附的氧物种与卤素离子的结合、活化关系密切。这让我们开始思考，真正起作用的结构到底是什么，能不能进一步转向非金属或者有机小分子催化。后来我们积累了不同的金属、单原子和分子催化体系，选择材料时也就有了更多空间。

最终的目标还是让某一类反应在更合适的条件下进行。我们会结合反应物的酸碱性质、pKa、化学键能以及其他物理化学特性，选择和设计催化剂。用金属还是用有机小分子，是实现目标的技术选择；更重要的是能否为具体反应找到合适的路径，并尽可能降低贵金属依赖。

实验室的好成绩，怎样变成工业上的节能？

DeepTech：评价电催化反应时，电流密度、过电位和选择性分别说明什么？为什么必须一起看？

杨嘉睿：在电化学化工生产中，我通常会关注三个方面：生产速度、能耗和产物选择性。对应到实验指标，电流密度反映单位电极面积上可以达到多大的反应速率，过电位与实现反应所需要的额外电压有关，而选择性反映生成的产物里，有多大比例是我们希望得到的化学品。

这些指标需要结合起来评价。比如一个催化剂在很低的电流密度下反应得很好，可能只能说明它适合小规模实验，未必能满足实际产能；如果电流密度很高，却有大量副反应，就意味着原料和电都没有被有效利用。

同样，过电位降低看起来很有吸引力，但如果催化剂很快失活，无法连续运行，也很难被工厂接受。工业电极真正重要的是在要求的生产速率下，同时兼顾能耗、选择性和长期可靠性。对于一个已经高度成熟的化工行业来说，任何单项性能的提升，都必须接受长期运行的检验。

DeepTech：研究中估算的节能效果是如何得出的？从实验室走向大规模生产，还需要验证什么？

杨嘉睿：我们主要依据在工业相关电流密度下测到的实际槽压，再与常用金属电极的运行电压进行比较。电解过程中的槽压越低，在其他条件相近时对应的耗电就越少。由此可以估算出每吨产品的电耗能够减少多少。这不是完全脱离工艺条件的理论数值，而是建立在实验器件测量结果上的估计。

不过，从实验室推到大规模工业装置，还会出现其他影响因素。例如实际生产中的电压可能波动，这会影响电极和器件的运行状态；当电极面积扩大后，传质、局部电流分布以及其他操作条件，也可能与小面积装置不同。

所以我们对放大后的表现还是要做进一步验证。实验数据能说明新催化体系有节能潜力，但如果要确认真实工厂到底能节省多少电，就必须继续考察放大装置和长期运行状态。

让废塑料中的氯重新进入循环

DeepTech：你为什么把传统盐水制氯和废弃 PVC 中的氯回收联系起来？目前已经实现了怎样的循环？

杨嘉睿：如果从元素流动的角度看，盐水中的氯离子与 PVC 里的氯，虽然存在于完全不同的物质中，但终究都是氯元素。传统氯碱工业是从盐水中取出氯，制造氯气等化工原料；在另一端，大量 PVC 制品废弃以后，氯反而成为回收处理的难点。

含氯塑料如果处理不当，可能在某些热处理条件下产生有害的含氯副产物，进一步增加回收负担。我们就在想，能不能把这两个过程连接起来，把原来难处理的氯重新转化成可利用的含氯化学品。

我们 2025 年的这项工作，主要是验证一个氯循环的概念：在电化学体系的阴极让 PVC 脱氯，释放出氯离子，再让氯离子迁移到另一电极侧，通过反应生成需要的含氯化学品。这样，废塑料里的氯就有机会重新进入化学品生产流程。当然，概念验证与完整回收工艺之间还有距离。

（Nature）

DeepTech：这条路线距离完整的工业回收流程还有哪些关键环节？

杨嘉睿：实验室里通常使用成分相对明确的模型废弃物，但真实 PVC 中可能含有增塑剂、填料、染料、金属杂质和其他混合材料，这些成分会影响传质和催化剂寿命。

首先是原料问题。实验室里经常使用组成比较清楚的模型废弃物，但真实 PVC 可能混有增塑剂、填料、染料、金属杂质，甚至其他种类的塑料。这些组分会影响物质传输，也可能降低催化剂寿命。工业上必须先建立能够接受的分选和预处理方案，让原料适合进入电极反应体系。

其次，要让整个流程真正闭合。实验室里使用的电解液往往比较复杂，可能含有盐、溶剂和各种添加剂，实际生产不可能无限消耗这些物料。能否有效回收电解液和添加剂、如何处理副产物，会直接影响经济性和环境收益。

还有设备条件。含氯体系对隔膜、密封结构、管路和设备防腐都有较高要求，催化剂性能好只是其中一部分。下一步需要用真实或接近真实的混合 PVC 连续运行，并核算氯、碳等元素的物料平衡，看进入和离开体系的物料是否能够对应起来。只有完成这些验证，才能进一步判断这条回收路线是否具有实际意义。

把溴引入丙烷脱氢：低温之外还有什么？

DeepTech：从氯碱和 PVC 研究走向丙烷脱氢，最初的想法是怎么形成的？溴在这个反应中具体做什么？

杨嘉睿：最早的契机其实来自与工程师的一次交流。当时我们谈到丙烷脱氢和其他热催化过程中的积碳问题：一些催化剂使用一段时间后会发生积碳，工业上会通过包括含氯处理在内的再生手段清除积碳，让催化剂恢复使用。

这让我们想到，既然我们的电化学体系能够产生氯或溴等活性卤素物种，能不能让它们直接参与反应，帮助解决高温催化中的一些困难？后来我们选择了丙烷脱氢。传统路线需要克服较高的热力学和动力学门槛，常在较高温度下运行，也会使用贵金属催化剂。我们希望尝试在较温和的条件下，利用卤素介导来活化碳氢键。

在我们设计的溴介导反应里，溴离子先在阳极被转化为活性溴物种，再与丙烷反应，形成溴代中间体；随后这一中间体与阴极生成的氢氧根反应，生成丙烯，溴则重新回到溴离子的状态。也就是说，溴的作用是参与活化并在反应后返回循环，而不是作为最终产品里的净消耗原料。如果这条路线能够稳定运行，也意味着卤素介导可能拓展到更多难以活化的碳氢键反应。

（Science）

DeepTech：研究报告中的丙烯选择性超过 98%、产品纯度超过 99%，这两个指标有什么区别？判断工业价值还需要看哪些数据？

杨嘉睿：选择性和产品纯度看起来接近，实际上回答的是不同问题。选择性指反应生成的含碳产物中，有多少比例是丙烯。它可以说明这条反应路径有没有抑制丙烯继续发生副反应，例如裂解或者进一步氧化等。

产品纯度则看离开反应体系、实际收集到的气流中，丙烯占多大比例。即使反应选择性很高，气流里仍可能含有未反应的丙烷、溴蒸气或其他气体，最终纯度未必同样高。而在传统丙烷脱氢过程中，氢气等组分的分离，也是工业流程需要考虑的负担。

因此，要判断工业价值，还需要看丙烷单程转化率、总收率、槽压、每吨丙烯的电耗、溴的损失率，以及连续运行中的稳定性。不能只凭选择性或纯度中的一个数字作判断。溴如果不断从体系中损失，既影响经济性，也会带来环境和安全问题。

DeepTech：较低的反应温度是否就意味着整个工艺更节能、更经济？还缺少哪些比较？

杨嘉睿：这个还不能直接下结论。低温可以减少反应器本身的供热需求，但电化学路线会增加其他能耗和操作环节，例如电力消耗、气液循环、催化剂管理、溴回收，有时还要考虑氧气供应等配套条件。如果只比较反应温度，会遗漏很多系统成本。

我目前最希望补充的，是一份能够核算的全流程物料与能量衡算。需要在原料条件、产能以及产品纯度相同的前提下，比较从丙烷原料进入，到得到销售级或聚合级丙烯为止，每吨产品所需要的电、蒸汽、冷却资源，以及对应的碳排放和成本。

传统丙烷脱氢工艺的竞争力不仅来自反应器，还有成熟的热集成、分离流程和供应链。新体系还必须解决溴的低损耗循环、设备耐腐蚀性，以及异常工况下的停机安全等问题。低温能够降低一部分供热负担，但能否真正节能，还要看全流程核算的结果。

从催化剂走向反应器，距离产业应用还有多远？

DeepTech：制氯、PVC 脱氯和丙烷脱氢看起来是不同反应，它们背后共同的科学问题是什么？

杨嘉睿：我觉得有一个比较一致的问题，就是怎样在电极界面控制卤素物种的价态、局部分布、迁移和寿命。卤素的反应性很强，它能够帮助我们活化一些原本很难反应的分子，也可以参与复杂的官能团转化。

但高反应性也带来另外一面：它可能导致材料腐蚀，影响产物选择性，或者造成卤素跨膜迁移、介质损失。我们研究有机小分子、单原子和复合催化体系，都是希望更精确地调控这些活性卤素中间体。我们的一个核心想法，就是让卤素的高反应性只在需要的位置、需要的时间出现。

我认为卤素电催化循环的应用还可以继续探索，比如选择性卤化与脱卤、含卤素废弃物资源化，以及一些不容易活化的碳氢键反应。至于能否进一步用于其他高能耗化学反应，还需要具体研究。它当然不可能成为适用于所有反应的通用路径。只有当活性中间体能够被有效控制，同时分离、腐蚀、安全等成本不会抵消反应带来的收益时，这条路线才值得采用。

DeepTech：如果从产业需求出发，当前最容易被低估的困难是什么？

杨嘉睿：我认为最容易被低估的是全流程的能耗和经济性。我们在实验室里可以测到一条很漂亮的曲线，证明某一个活性位点是有效的，或者某个化学路径能够实现，但这距离工业上接受它还有很多工作。

工厂更关心的是在真实原料、真实电极和实际物流条件下，设备运行数年以后，每吨合格产品的成本是多少，风险有多大。材料和设备能不能很好地配合，也是很容易被低估的问题。有些催化剂在实验室表现非常好，放到现有反应器、隔膜或者复杂物料循环中，却未必适用。

所以我们现在做这些课题，也希望尽早把催化剂、反应器和工艺流程放在一起评价。PVC 回收要考虑原料分选和溶剂循环，丙烷脱氢要考虑介质回收与设备配套。如果从一开始就把这些因素纳入研究，也许能够避免后期放大时出现不必要的资源消耗和工程风险。

DeepTech：未来三到五年，你最希望把哪项研究推进一步？又会用什么标准判断它真正取得了进展？

杨嘉睿：如果只能选一个方向，我希望把卤素循环从概念验证推进到连续、可核算的规模放大，同时继续丰富卤素介导反应的应用范围。现在我们已经尝试了丙烷和一些有机小分子的活化，但这还只是可能性的一个部分。PVC 氯回收与氯碱工业的衔接，有资源循环的意义；丙烷脱氢则有助于检验卤素介导能否走进大宗化学品生产。

对下一阶段的工作，我会看几个具体指标。第一，能否处理真实或接近真实的原料，并在较长时间里稳定连续运行；第二，能否给出闭合的卤素、碳元素和能量衡算；第三，最终得到的产品是否达到可用规格，介质损耗、碳排放和运行风险是否可控。

更往后，还要通过尽可能独立的技术经济分析和生命周期比较，判断它相对现有生产路线有没有明确优势。对催化材料来说，我不希望仅仅再做出一个峰值更高的性能数据。真正重要的进步，是让高活性与长期稳定性能够在实际工艺条件下同时成立。

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成