从管道建材到药品、消毒剂，氯和溴这类卤素元素渗透在现代工业的许多角落。它们用途广泛，麻烦也不少：制氯过程耗电惊人，含氯废料又难以处置。香港城市大学助理教授杨嘉睿的研究，正是围绕这些元素的电化学转化展开。凭借在电催化领域的系列成果，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。

杨嘉睿的实验室生涯开始得很早。刚读本科，他便加入课题组，起点是电池研究，之后转入电催化，各类反应都有所尝试。2018年前后，团队把注意力集中到氯碱工业的析氯反应上。彼时从事这一方向的课题组不多，先行一步成了他们的优势。

一个计划之外的实验，改变了后续的研究走向。团队当时想用含酰胺基团的有机小分子做二氧化碳的电还原与捕获，并未把它当作析氯催化剂来设计。在某个含卤素的电解液体系里，他们注意到一个反常现象：二氧化碳的存在反而提升了这类小分子的活性，让它在析氯反应中的表现逼近贵金属催化剂的水平。

这个结果出乎所有人意料。按照当时学界的普遍认知，有机小分子的催化能力很难与金属抗衡，更不用说钌、铱这类贵金属。团队此前一直做金属催化，对小分子如何参与电极反应并没有清楚的答案。随后的机制研究给出了线索：小分子可能先形成自由基，再由自由基推动氯离子向氯气转化。

这次意外让杨嘉睿意识到，催化活性未必只能来自金属位点。进入清华读博后，他做了一个有风险的决定——放下熟悉的金属单原子路线，转向有机小分子催化。团队当时并不确定这条路能否走通，只能靠大量筛选和实验去验证。最终，他们找到了几类可规模化制备、又有应用潜力的分子，并逐步形成了一套关于卤素活化与自由基调控的研究思路。

回头梳理，析氯反应的切入、从金属到小分子的转换、独立卤素介导反应体系的建立，构成了他科研路线上的几个关键节点。至于如何为某个反应挑选催化剂，他的做法相当务实：先看反应物本身的性质，包括酸碱性、pKa、化学键能等物理化学参数，再据此设计匹配的催化体系。用金属还是用小分子只是手段，真正的目标是让反应在更合适的条件下进行，同时尽量少用贵金属。

盯住氯碱工业，与这个产业的体量直接相关。据估算，其电耗约占全球发电量的2%—3%，哪怕工艺电耗只压缩1%—2%，放到全球范围也是太瓦时级别的节约空间，对这样的产业来说，小幅改进都有意义。不过改进并不容易：析氯阳极长期浸泡在强氧化、强腐蚀的环境中，催化剂必须同时满足低能耗、高选择性与长寿命三重要求。传统尺寸稳定阳极在钛基底上负载钌、铱氧化物，有些体系能在工业条件下连续运行十年以上，性能已经相当出色，短板在于贵金属用量，以及在部分新的反应介质和卤素转化场景中，已有电极的选择性和适应性未必理想。

他解释，研究新催化剂并非否定成熟电极的价值，而是想提供降低贵金属依赖的替代选项，也为氯碱工艺之外的反应寻找可能。2025年发表的一项氯循环研究，源头甚至可以追溯到2017年前后，中间耗费了很长时间，这类反应的开发从来不是线性推进的过程。

评价一个电催化体系，他习惯从三个维度入手：电流密度对应生产速度，过电位关系能耗高低，选择性则决定产物中有多少是目标化学品。三个指标必须捆绑着看。低电流密度下表现优异，可能只说明适合小规模实验，撑不起实际产能；电流密度上去了，副反应却很严重，意味着原料和电力都在被浪费；过电位降得再低，催化剂若很快失活、无法连续运行，工厂同样不会买账。工业电极真正要紧的，是在要求的产能下兼顾能耗、选择性和长期可靠性。

节能效果的估算依据，是在工业相关电流密度下实测的槽压。槽压每降一些，条件相同时电耗便随之减少，由此可以推算每吨产品能省下多少电。他强调，这不是脱离工艺条件的理论数值，而是建立在实验器件测量之上的估计。但从小面积装置放大到工业设备，还会冒出新的变量：电压波动会影响电极和器件的运行状态，电极面积扩大后，传质、局部电流分布和其他操作条件也可能随之改变。真实工厂到底能省多少电，仍要靠放大装置和长期运行数据来回答。

在制氯之外，杨嘉睿把目光投向了氯的另一个“归宿”——废弃的聚氯乙烯。他的思考带着元素流动的视角：盐水里的氯离子和PVC里的氯，说到底是同一种元素。氯碱工业从盐水中取出氯，制成氯气等化工原料；而在产业链的另一端，大量PVC制品报废后，氯反倒成了回收处理的难点，处理不当还可能在热处理中生成有害的含氯副产物。

能不能把两端接起来？团队在2025年验证了一个氯循环概念：在电解槽阴极让PVC脱氯、释放氯离子，氯离子迁移到另一侧电极后，通过反应生成所需的含氯化学品，废塑料中的氯由此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，还有不短的距离。

第一道关卡是原料。实验室常用成分明确的模型废弃物，真实PVC却可能混着增塑剂、填料、染料、金属杂质，甚至其他种类的塑料，这些组分既干扰传质，也会缩短催化剂寿命，工业上必须先建立可接受的分选与预处理方案。第二道关卡是物料闭环：实验室电解液往往包含盐、溶剂和各类添加剂，实际生产不可能无限消耗这些物料，电解液和添加剂能否回收、副产物如何处置，直接决定这套流程的经济性和环境收益。设备条件同样苛刻，含氯体系对隔膜、密封结构、管路和防腐都有很高要求，催化剂性能好只是其中一环。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，看进出体系的物料能否对应起来。

溴的登场，源自一次与工程师的交流。对方谈到丙烷脱氢等热催化过程中普遍存在的积碳问题：催化剂用一段时间就会积碳，工业上会通过含氯处理等再生手段清除积碳、恢复活性。杨嘉睿由此联想到，自己的电化学体系本就能产生氯、溴这类活性卤素物种，何不让它们直接参与反应，帮高温催化分担一些困难？

团队选择了丙烷脱氢作为切入点。传统路线要跨越较高的热力学和动力学门槛，通常在高温下运行，还依赖贵金属催化剂。在他们设计的溴介导方案里，溴离子先在阳极被氧化成活性溴物种，与丙烷结合生成溴代中间体；该中间体随后与阴极产生的氢氧根作用，转化成丙烯，溴则恢复为溴离子。也就是说，溴只负责活化，反应结束后回到原点，不作为产品中的净消耗原料。这条路线若能稳定运行，意味着卤素介导有望拓展到更多难以活化的碳氢键反应。

这项工作中，丙烯选择性超过98%、产品纯度超过99%的数据引人注目。杨嘉睿特意区分了两个数字的含义：选择性衡量的是含碳产物中丙烯的占比，反映这条路径对裂解、过度氧化等副反应的抑制能力；纯度看的则是离开反应体系、实际收集到的气流中丙烯的浓度——即便选择性很高，气流里仍可能混有未反应的丙烷、溴蒸气或其他气体，而传统丙烷脱氢中氢气等组分的分离，本身就是工业流程的一笔负担。

判断这项技术的工业价值，在他看来还需要更多数据：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，缺一不可。溴如果持续从体系中流失，经济性和环境安全都会受影响。

较低的反应温度是否就等于更节能、更经济？他的回答很谨慎。低温确实能减少反应器本身的供热需求，但电化学路线会引入其他能耗和操作环节——电力消耗、气液循环、催化剂管理、溴回收，有时还要配套氧气供应。只比较反应温度，会漏掉大量系统成本。他目前最想补上一份能核算的全流程物料与能量衡算：在原料条件、产能和产品纯度相同的前提下，比较从丙烷进料到聚合级丙烯产出，每吨产品需要多少电、蒸汽和冷却资源，对应多少碳排放和成本。传统丙烷脱氢的竞争力不只在反应器，还有成熟的热集成、分离流程和供应链；新体系则必须解决溴的低损耗循环、设备耐腐蚀，以及异常工况下的停机安全。

做制氯、PVC脱氯和丙烷脱氢这三个看似不相干的课题时，杨嘉睿看到的是一个共通的科学问题：如何在电极界面控制卤素物种的价态、局部分布、迁移和寿命。卤素反应性强，能帮忙活化许多原本很难反应的分子，也能参与复杂的官能团转化；但高反应性有另一面——腐蚀材料、干扰选择性、造成卤素跨膜迁移和介质损失。无论研究有机小分子、单原子还是复合催化体系，他的目标都是更精确地调控这些活性卤素中间体，让卤素的强反应性出现在恰好需要的位置和时机。

卤素电催化循环还有不少可以拓展的空间，比如选择性卤化与脱卤、含卤废弃物的资源化，以及一些不容易活化的碳氢键反应。但杨嘉睿不认为它能成为适用于所有反应的通用路径——只有当活性中间体被有效控制，同时分离、腐蚀、安全等成本不会吞掉反应带来的收益时，这条路线才值得采用。

从产业需求倒推，他认为最容易被低估的是全流程的能耗与经济性。实验室里一条漂亮的曲线，能证明某个活性位点有效或某条化学路径可行，但距离工厂的接受还有大量工作：工厂关心的是真实原料、真实电极和实际物流条件下，设备运行数年之后，每吨合格产品的成本和风险。材料与设备的配合也常被忽略，有些催化剂在实验室表现极佳，放进现有反应器、隔膜或复杂物料循环中却未必适用。

正因如此，他现在做课题时会把催化剂、反应器和工艺流程放在一起评价：PVC回收要同步考虑原料分选和溶剂循环，丙烷脱氢要同步考虑介质回收与设备配套。在他看来，比峰值数据更难得的，是在真实工艺条件下让高活性与长寿命并存。