為了消滅“灰氫”！中國科學家獲重要突破

2025-02-25 10:51:54 來源：中國科學報

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由于燃燒后僅生成水，氫氣曾被視為實現碳中和目標的理想能源。

然而，目前全球約96%的氫氣生產仍依賴化石燃料。每生產1噸這種所謂的“灰氫”，就伴隨著10余噸二氧化碳的排放。氫氣作為“清潔能源”承載的碳中和目標在制備過程中難以實現，更難實現產業化應用。

團隊成員在做實驗。受訪者供圖

“要實現清潔制氫，必須從源頭減少碳排放?！北本┐髮W化學與分子工程學院教授馬丁已經在金屬-碳化鉬催化劑體系深耕10余年。近日，他與合作者兩天內先后在《科學》《自然》發表兩項突破性成果，向綠色生產氫氣邁出了關鍵一步。

較傳統制氫減少38.6%碳排放

氫氣是一種二次能源，不能直接開采，需要從水、化石燃料等含氫物質中分解和制備。目前，傳統制氫工藝仍然以化石燃料為原料，在300℃至1200℃的高溫條件下進行，不但能耗巨大，而且伴隨著大量二氧化碳排放。

以應用最為廣泛的蒸汽甲烷重整（SMR）技術為例，高溫條件下，天然氣中的甲烷可以與水蒸氣在催化劑作用下反應，從而生成氫氣和二氧化碳。據統計，用這一化學反應制取1千克氫氣的碳排量超過12千克。

若不能從源頭解決氫氣生產中的碳排放問題，氫能承載的低碳愿景將難以實現。

馬丁與中國科學院大學教授周武課題組、北京大學化學與分子工程學院研究員周繼寒課題組以及英國卡迪夫大學教授Graham J.Hutchings聯合開發的“選擇性部分重整”技術，為破解上述難題帶來了希望。

研究人員以農林廢棄物轉化而來的生物乙醇為起點，將乙醇-水重整反應從傳統的完全重整路徑轉變為選擇性部分重整路徑。該路徑將反應溫度降至270℃，更為關鍵的是，反應中的碳原子不再生成二氧化碳，而是轉化為乙酸。

該氫氣生產新路徑不僅在不排放二氧化碳的前提下高效生產氫氣，還可以聯產高值化學品乙酸。在這一反應路徑中，每噸乙醇約可聯產1.3噸乙酸。作為基礎化工原料，乙酸的全球年需求量超過1500萬噸，市場前景廣闊。

與傳統方法相比，這項綠色制氫-聯產化學品技術構建了“制氫—儲碳—產酸”的閉環系統，可以減少38.6%的碳排放量，為可持續的氫能經濟發展提供了全新解決方案。相關研究成果發表于《科學》。

催化劑穩定運行超1000小時

在制氫領域，催化劑的“高活性”與“高穩定性”平衡一直是個難題。

催化劑活性和選擇性是衡量其性能的核心因素，但在實際工業應用中，穩定性才是影響生產持續性和經濟性的關鍵指標，直接關系催化劑能否真正實現大規模應用。

在甲醇-水重整（MSR）產氫催化體系中，高活性催化劑可以提升催化反應效率，但在反應過程中容易加速失效。相關研究報道，傳統催化劑的平均壽命不足200小時。

因此，兼具活性與穩定性的催化劑對氫能的生產和應用尤為重要。

在一次偶然的機會中，馬丁發現，貴金屬鉑與碳化鉬、氮化鉬等活性載體構建的界面催化體系可以在較低溫度下制氫。如果想順利應用該發現，要兼顧催化劑的活性與高穩定性。

為此，馬丁提出一種二者兼顧的催化劑穩定策略：在催化劑表面構筑惰性稀土氧化物的納米覆蓋層，形成納米尺度的“保護盾”，以保護界面催化結構，并在不影響界面結構超高催化活性的前提下提升催化劑穩定性。

根據實驗結果，該新型催化劑在MSR制氫反應中展現出超過1000小時的穩定性。同時，該催化劑還實現了超過1500萬的催化轉化數，保持了超高活性，創造了甲醇-水制氫催化反應紀錄。

馬丁告訴《中國科學報》，該研究還找到了界面催化劑穩定性的“通用密碼”。他發現，上述策略在釔、鐠等稀土元素以及鈣、鍶等廉價金屬中，均可能實現類似效果。這一高活性產氫催化劑穩定策略還有機會應用在更多高性能催化劑設計中。相關研究成果發表于《自然》。

氫氣生產的“可持續引擎”

目前，氫能技術尚處于發展時期，其大規模產業化應用尚未實現，原因在于傳統氫能生產長期面臨低碳、低成本、高穩定性難以兼顧的困局。

馬丁團隊一直致力于尋找氫氣產業化的可能性。2014年，他啟動相關研究，破解綠色制氫難題。10余年來，馬丁團隊及合作者在金屬碳化物催化劑用于氫氣生產方面深入研究，一步步打磨實驗室的發現，為其產業化帶來希望。

該團隊通過催化劑設計和反應路徑優化，從源頭降低了制氫過程的碳排放；同時，通過在催化劑表面構筑惰性納米覆蓋層，進一步突破了催化體系的穩定性瓶頸，形成了高效、穩定的制氫技術。

“目前，化工行業面臨的關鍵挑戰是通過可持續的方法，生產我們日常生活中真正需要的產品?！瘪R丁說，“在這項研究中，我們通過綠色制氫技術，降低了能耗，破解了氫氣儲運難題，為化工、醫藥等更多產業的低碳轉型帶來了可能性。”

馬丁表示，目前這些成果仍處于基礎研究階段，主要闡釋了產氫過程的底層科學，為產業發展和應用提供了“工具箱”和“知識庫”。他希望研究成果能夠從實驗室“走出去”。為此，馬丁正在進行相關嘗試。

“我們開發了實驗室規模的陣列產氫裝置，并已形成專利，提供了實驗室規模的催化劑放大測試平臺，讓我們更貼近氫氣應用的現實場景?！瘪R丁指出，“真正實現綠色制氫還有很長的路要走。要實現產業化，還需產學研深入合作和相關政策支持。通過政策引導推動全產業鏈協同發展，才能實現氫能的規模化、低碳化應用?！?

相關論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adt0682

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08483-w

《中國科學報》(2025-02-24第3版綜合)

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