【導語】當前全球正加速邁向碳中和，氫能作為關鍵綠色能源，卻因主流製氫法產生的“粗氫”含大量雜質，難以滿足高端應用需求，提純成為產業發展的關鍵瓶頸。我國科學家另辟蹊徑，複旦大學與北京大學聯合團隊研發出氧化鋁/銅基催化劑，以“物理隔離+電子調控”雙重保護機製，實現“粗氫進-純氫出”，為氫能產業帶來零碳發展新曙光。

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作者：劉煜超（中國科學技術大學）

監製：中國科普博覽

在全球向碳中和目標邁進的過程中，氫能正從實驗室走向產業化的舞台。作為宇宙中含量最豐富的元素，氫不僅是火箭推進劑的核心成分，還能為新能源汽車提供動力，更是化工、冶金等行業不可或缺的原料。

然而，一個鮮為人知的事實是：當前所謂的“氫能革命”正麵臨嚴峻挑戰——糖心免费视频使用的氫氣中，絕大多數仍來自化石能源，且含有大量一氧化碳、二氧化碳等雜質，這些“粗製氫氣”難以滿(mǎn)足(zú)氫(qīng)燃(rán)料(liào)電(diàn)池(chí)汽(qì)車(chē)等(děng)高(gāo)端(duān)應(yīng)用(yòng)對(duì)純(chún)度(dù)的(de)嚴(yán)苛(kē)要(yào)求(qiú)。因(yīn)此(cǐ)，如(rú)何(hé)高(gāo)效(xiào)提(tí)純(chún)“粗(cū)氫(qīng)”，成(chéng)為(wèi)決(jué)定(dìng)氫(qīng)能(néng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展(zhǎn)的(de)關鍵技術瓶頸。

航天飛機主發動機以液態氫氣作為燃料

（圖片來源：維基百科）

氫氣：化工行業的“血液”，綠色能源的“王牌”

氫氣，這個由兩個氫原子組成的簡單分子，在現代工業體係中扮演著不可或缺的角色。在傳統工業領域，氫氣是名副其實的“化工之血”——約半數氫氣消費量都用於合成氨和合成甲醇這兩大支柱產業。合成氨作為化肥生產的關鍵原料，維係著全球糧食安全；而合成甲醇則是石油化工的重要中間體，可衍生出眾多化工糖心APP官网进入。

走進鋼鐵廠，氫氣既能在高爐中作為還原劑助力鐵礦石冶煉，又能在特種鋼材生產中充當保護氣，精確調控爐內環境。轉向玻璃製造車間，氫氣不僅能作為清潔燃料逐(zhú)步(bù)替(tì)代(dài)天(tiān)然(rán)氣(qì)，更在高端玻璃製造過程中發揮還(hái)原(yuán)作用，賦予(yǔ)玻(bō)璃(lí)特(tè)殊(shū)的(de)性能表現。

氫能源的利用途徑

（圖片來源：參考文獻[1]）

當人類步入21世紀，這個古老的工業原料正迎來重要轉變，成為能源轉型浪潮中的關鍵角色。氫能最引人注目的特質在於其優異的清潔性：不論是直接燃燒還是通過燃料電池發電，唯一的副糖心APP官网进入隻有水，其能量轉換效率也令人驚歎。更難得的是，氫能兼具電能的靈活性和化石能源的便利性——既能以氣態或液態儲存，又能通過改造現有天然氣管道實現大規模輸送。

特別值得一提的是，氫氣為可再生能源的消納提供了理想解決方案——通過電解水製氫，可以將間歇性的風電、光伏電力轉化為穩定可儲存的化學能，有效解決可再生能源的波(bō)動性問題。這種獨特的“電力-氫氣-能源”轉化鏈條，正在重塑能源格局。

氫從何來？化石能源的“副糖心APP官网进入困局”

在現代工業體係中，氫氣雖然用途廣泛，但其製備過程卻麵臨一個關鍵挑戰：目前主流的製氫方法都會產生含雜質的“粗氫”，這為後續使用帶來了諸多不便。

曆史悠久的煤製氫技術已發展百餘年。通過高溫氣化工藝，煤炭與水蒸氣反應後，得到的粗氫氣中不可避免地混有一氧化碳、二氧化碳等雜質氣體。雖然這項技術成熟穩定，但需要經過複雜的淨化處理才能獲得純淨的氫氣。

目前更經濟的製氫(qīng)方(fāng)案(àn)是(shì)天(tiān)然(rán)氣(qì)蒸(zhēng)汽(qì)重(zhòng)整(zhěng)（SMR）。在(zài)700-1100攝(shè)氏(shì)度(dù)的(de)反(fǎn)應(yīng)條(tiáo)件(jiàn)下(xià)，甲(jiǎ)烷(wán)與(yǔ)水(shuǐ)蒸(zhēng)氣(qì)反(fǎn)應(yīng)生(shēng)成(chéng)的(de)氫(qīng)氣(qì)同(tóng)樣(yàng)含(hán)有(yǒu)雜(zá)質(zhì)。每(měi)生(shēng)產(chǎn)1噸(dūn)氫(qīng)氣(qì)，就(jiù)會(huì)伴(bàn)隨(suí)產(chǎn)生(shēng)大(dà)量(liàng)的(de)一(yī)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)等(děng)副(fù)產(chǎn)物(wù)。

相(xiāng)比(bǐ)之(zhī)下，電解水製氫能直接獲得高純度氫氣，不會產生一氧化碳等雜質。但受限於較高的電力成本，這種方法目前還難以大規模應用。

2024年(nián)中(zhōng)國(guó)氫(qīng)氣(qì)生(shēng)產(chǎn)結(jié)構(gòu)

（圖(tú)片(piàn)來(lái)源(yuán)：《中(zhōng)國(guó)氫(qīng)能(néng)發(fā)展(zhǎn)報(bào)告(gào)2025》）

這(zhè)些(xiē)傳(chuán)統(tǒng)製(zhì)氫方法共同麵臨一個關鍵挑戰：產出的粗氫都需要經過複雜的提純處理才能滿足高端應用需求。麵對這一技術瓶頸，科學家們正在探索創新解決方案——開發一種“智能轉換器”，它不僅能高效提純粗氫，還能將氫氣轉化為更易儲存和運輸的形態。這個曾被視為天方夜譚的構想，如今正在實驗室中逐步實現。

中國方案：用“分子魔術”實現氫能提純

麵對粗氫提純這一工藝難題，我國科學家團隊開創性地提出了全新解決方案。複旦大學與北京大學聯合科研團隊成功研製出具有特殊抗毒化能力的催化劑體係。該技術可直接處理含大量一氧化碳、二氧化碳等雜質的粗氫，通過催化轉化將其儲存於液態有機物中，實現了氫氣的便捷提純與高效儲存一體化。

這項技術的核心突破在於解決了液態有機儲氫載體（LOHCs）領域長期存在的關鍵瓶頸。所謂液態有機儲氫載體，往往是指一類含有不飽和鍵（如羰基、酯基等）的有機化合物，它們能夠通過催化加氫(qīng)反(fǎn)應(yīng)與(yǔ)氫(qīng)氣(qì)發(fā)生(shēng)加(jiā)成(chéng)，生(shēng)成(chéng)穩(wěn)定(dìng)的(de)液(yè)態(tài)醇(chún)類(lèi)儲(chǔ)氫(qīng)物(wù)質(zhì)。簡(jiǎn)單(dān)來(lái)說(shuō)就(jiù)是(shì)用(yòng)一(yī)種(zhǒng)特(tè)殊(shū)的(de)液體來儲存氫氣，這種液體遇到氫氣後，能通過化學反應緊緊“抱住”氫氣，變成另一種穩定的液體。

這種“化學儲氫”方式與直接儲存液態氫氣相比，既安全又高效，但一直麵臨著一個棘手的難題：傳統使用的貴金屬催化劑（如鈀、鉑等）對一(yī)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)等(děng)雜(zá)質(zhì)極(jí)度(dù)敏(mǐn)感(gǎn)，即(jí)使(shǐ)濃(nóng)度(dù)低(dī)至(zhì)百(bǎi)萬(wàn)分(fēn)之(zhī)一(yī)（ppm級(jí)），這(zhè)些(xiē)雜(zá)質(zhì)也(yě)會(huì)牢(láo)牢(láo)占(zhàn)據(jù)催(cuī)化(huà)劑(jì)的(de)活(huó)性(xìng)位(wèi)點(diǎn)，導(dǎo)致(zhì)催(cuī)化(huà)劑(jì)“中(zhōng)毒(dú)”失(shī)效(xiào)。

更(gèng)令(lìng)人(rén)困(kùn)擾的是，雖然通過某些改性手段可以提高催化劑的抗毒化能力，但這往往會導致其加氫活性大幅下降，形成“魚與熊掌不可兼得”的技術困境。這一矛盾長期製約著液態有機儲氫技術的實際應用和發展。

粗氫分離與儲存一體化的工藝圖

（圖片來源：中國科學報）

中國科研團隊研發的氧化鋁/銅基催化劑成功突破了這一限製。該催化劑能在一氧化碳等雜質濃度超過50%的苛刻條件下，高效(xiào)催(cuī)化(huà)γ-丁(dīng)內(nèi)酯(zhǐ)（GBL）加(jiā)氫(qīng)生(shēng)成(chéng)1，4-丁(dīng)二(èr)醇(chún)（BDO），儲(chǔ)氫(qīng)密(mì)度(dù)達(dá)4.4wt%。這(zhè)就(jiù)相(xiāng)當(dāng)於(yú)1，4-丁(dīng)二(èr)醇(chún)是(shì)一(yī)個(gè)特(tè)別(bié)能(néng)“裝(zhuāng)”氫(qīng)氣(qì)的(de)容器，4.4wt%即每100克1，4-丁二醇裏能“裝”進去4.4克氫氣。

更令人矚目的是，在隨後的脫氫過程中可釋放純度超過99.998%的高純氫氣，完整實現了“粗氫進-純氫出”的轉化鏈條。經過5次充放循環和370小時連續運行測試，催化劑仍保持穩定活性，展現出優異的工業化應用前景。

氧化鋁/銅催化劑催化GBL-BDO可逆儲放氫性能測試

（圖片來源：參考文獻[5]）

新型催化劑的抗毒化機製：“物理隔離+電子調控”雙重保護

那麽，這種新型催化劑為何能對雜質毒化“免疫”呢？研究團隊通過係統的CO（一氧化碳）吸附實驗，深入解析了催化劑的抗毒化機製。

實驗結果顯示，與傳統貴金屬催化劑或其他負載型銅基催化劑相比，氧化鋁/銅催化劑表現出極(jí)低(dī)的CO不可逆吸附量。這一現象與催化加氫過程中觀察到的優異CO耐受性高度一致，進一步通過紅外光譜分析證實：該催化劑表麵幾乎檢測不到銅-CO鍵的特征吸收峰。

這說明，新型催化劑的抗毒化機製關鍵在於其獨特的結構設計。傳統銅基催化劑中的Cu+離子（亞銅離子）位點極易與CO結合，而氧化鋁/銅催化劑通過以下創新設計解決了這一難題：首先，氧化鋁載體以物理包覆形式穩定銅顆粒，有效防止其團聚失活；更重要的是，催化劑中的銅主要以金屬態存在，這種電(diàn)子(zi)狀(zhuàng)態(tài)對(duì)CO的(de)吸(xī)附(fù)能(néng)力(lì)顯(xiǎn)著(zhe)降(jiàng)低(dī)。這(zhè)種(zhǒng)“物(wù)理(lǐ)隔(gé)離+電子調控”的雙重保護機製，使催化劑在保持高活性的同時，獲得了優異的抗毒化性能。

這項發表於《自然·能源(yuán)》的(de)創(chuàng)新(xīn)成(chéng)果(guǒ)，為(wèi)氫(qīng)能(néng)產(chǎn)業(yè)描(miáo)繪(huì)了(le)令(lìng)人(rén)振(zhèn)奮(fèn)的(de)發(fā)展(zhǎn)前(qián)景(jǐng)。隨(suí)著(zhe)技(jì)術(shù)不(bù)斷(duàn)成(chéng)熟(shú)，“廢(fèi)氫(qīng)變(biàn)高(gāo)純(chún)氫(qīng)”的(de)工業化示範項目有望在不久的將來落地。

更具革命性的是，該技術可與可再生能源深度耦合——通過風電、光伏電力電解水製取粗氫後提純，構建從“綠電”到“綠氫”的完整零碳產業鏈。展望未來，加油站或許將配備小型製氫裝置，實時將儲罐(guàn)中的液態氫能載體轉化為超純氫燃料，為氫燃料電池汽車提供“即產即用”的清潔能源。

參考文獻：

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