氫能作為未來全球能源體系重要支柱，其生產(chǎn)方式直接關(guān)系到全球碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。北京大學(xué)馬丁教授團(tuán)隊(duì)及合作者通過兩條互補(bǔ)的技術(shù)路徑，在高效、穩(wěn)定、清潔、低成本制氫技術(shù)領(lǐng)域取得了重要突破與里程碑式進(jìn)展，可以在不排放二氧化碳的情況下實(shí)現(xiàn)氫氣的高效生產(chǎn)。相關(guān)研究成果于13日、14日連續(xù)兩天在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》和《科學(xué)》上發(fā)表。
馬丁介紹，《自然》刊發(fā)的《惰性納米覆蓋層保護(hù)鉑-氮化鉬實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)氫》研究文章，聚焦催化劑“長壽”難題，團(tuán)隊(duì)延續(xù)了在甲醇和水重整制氫方面的深厚積累，創(chuàng)新性引入稀土元素對催化劑進(jìn)行改造，開發(fā)出一種全新的高活性產(chǎn)氫催化劑穩(wěn)定策略。研究發(fā)現(xiàn)，通過在鉑-氮化鉬催化劑表面構(gòu)筑稀土氧化物“保護(hù)罩”，精準(zhǔn)保護(hù)界面催化結(jié)構(gòu)，在不犧牲催化劑超高活性的前提下，催化劑穩(wěn)定性大幅提升。“就像一把鋒利的菜刀，切菜非常快，但用久了就容易生銹變鈍，該研究類似于給菜刀穿上一件特殊的‘防護(hù)衣’，讓它既能保持‘鋒利’，又能‘防銹’，大大延長了使用壽命。”
馬丁說，該新型稀土改性催化劑在甲醇重整制氫反應(yīng)中展現(xiàn)出超過1000小時的穩(wěn)定性而未有明顯失活，催化劑中每個鉑原子可催化產(chǎn)生1500萬個氫分子，催化轉(zhuǎn)化數(shù)超過了此前報(bào)道最高紀(jì)錄一個數(shù)量級。“這一突破為高效、穩(wěn)定的制氫技術(shù)提供了全新思路，為貴金屬催化劑的低成本、高穩(wěn)定性應(yīng)用提供了可行方案，預(yù)計(jì)未來將在綠色能源、氫燃料電池、可持續(xù)化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，加速邁向零碳排放的未來。”
同步發(fā)表在《科學(xué)》雜志的《零二氧化碳排放的熱催化重整制氫》研究文章，則瞄準(zhǔn)乙醇和水分子重整制氫的“零碳”目標(biāo)。團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開發(fā)了一種高效的鉑-銥雙金屬界面催化劑，通過原子級精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、調(diào)控雙金屬-碳化鉬界面，不僅實(shí)現(xiàn)了水分子和乙醇分子的高效活化，還巧妙避免了乙醇分子碳-碳化學(xué)鍵的斷裂，將乙醇-水重整反應(yīng)從傳統(tǒng)的“完全重整”路徑轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑x擇性部分重整”路徑，在270℃溫和條件下實(shí)現(xiàn)高通量氫氣制備，同時聯(lián)產(chǎn)高值化學(xué)品乙酸，并實(shí)現(xiàn)了零二氧化碳排放。“這一重大成果為零碳排放的工業(yè)制氫奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著全球能源體系向低碳化轉(zhuǎn)型，這項(xiàng)突破性催化技術(shù)有望成為推動綠色氫能產(chǎn)業(yè)的重要助力，助力全球碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。”
馬丁告訴記者，尋找可持續(xù)的方法生產(chǎn)日常所需產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)未來的凈零排放目標(biāo)，是化工行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。氫氣因可從天然氣中提取而被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。不過，在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式下，這一產(chǎn)氫過程極其耗能，會產(chǎn)生大量二氧化碳，從而削弱其環(huán)境效益。“我們的研究提出了一種新路徑，可在不排放二氧化碳的情況下實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)氫。”
他表示，稀土改性催化劑顯著提升了制氫效率和使用壽命，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)氫氣提供了可能；而零二氧化碳排放制氫-聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品技術(shù)，則開創(chuàng)了一種全新的綠色化學(xué)路徑，不僅減少了碳排放，還實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用。這兩項(xiàng)技術(shù)突破相輔相成，有望從根本上改變氫能的生產(chǎn)和應(yīng)用模式，為構(gòu)建可持續(xù)能源體系奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
原文鏈接：零二氧化碳排放、催化劑壽命延長——科學(xué)家成功開發(fā)新型制氫技術(shù)（《光明日報(bào)》2025年2月18日 第8版）
