因?yàn)槿紵髢H生成水，氫氣曾被視為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的理想能源。
然而，目前全球約96%的氫氣生產(chǎn)仍依賴化石燃料。每生產(chǎn)1噸這種“灰氫”，就伴隨著十余噸二氧化碳排放。
氫氣的“清潔能源”標(biāo)簽及其原本承載的碳中和目標(biāo)在其制備過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)，更難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
“要實(shí)現(xiàn)清潔制氫目標(biāo)，必須從源頭減少碳排放?！北本┐髮W(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授馬丁已經(jīng)在金屬-碳化鉬催化劑體系深耕十余年。近日，他和合作伙伴兩天內(nèi)先后在《科學(xué)》《自然》發(fā)表兩項(xiàng)突破性成果，向氫氣綠色生產(chǎn)邁出了關(guān)鍵一步。
馬丁。受訪者供圖
較傳統(tǒng)制氫減少38.6%碳排放
氫氣是一種二次能源，不能直接開(kāi)采，而是需要從水、化石燃料等含氫物質(zhì)中分解和制備。目前，傳統(tǒng)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(jìn)行反應(yīng)，不但能耗巨大，而且伴隨著大量二氧化碳排放。
以應(yīng)用最為廣泛的蒸汽甲烷重整（SMR）技術(shù)為例，天然氣中的甲烷可以與水蒸氣在催化劑的作用下在高溫下反應(yīng)，從而生成氫氣和二氧化碳。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這一化學(xué)反應(yīng)制取 1千克氫氣的碳排量就超過(guò)12千克。
若不能從源頭破解氫氣生產(chǎn)中的碳排放問(wèn)題，氫能承載的低碳愿景將難以實(shí)現(xiàn)。
近日，馬丁與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授周武課題組、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院研究員周繼寒課題組以及英國(guó)卡迪夫大學(xué)教授 Graham J. Hutchings 聯(lián)合開(kāi)發(fā)了“選擇性部分重整”技術(shù)，為攻克這一難題帶來(lái)了希望。
他們以農(nóng)林廢棄物轉(zhuǎn)化而來(lái)的生物乙醇為起點(diǎn)，將乙醇-水重整反應(yīng)從傳統(tǒng)的完全重整路徑轉(zhuǎn)變?yōu)檫x擇性部分重整路徑。該路徑將反應(yīng)溫度降至270℃，更為關(guān)鍵的是，反應(yīng)中的碳原子不再生成二氧化碳，而是轉(zhuǎn)化為乙酸。
這也意味著，這一氫氣生產(chǎn)新路徑實(shí)現(xiàn)了在不排放二氧化碳的前提下高效生產(chǎn)氫氣，還可以聯(lián)產(chǎn)高值化學(xué)品乙酸。在這一反應(yīng)路徑中，每噸乙醇約可聯(lián)產(chǎn)1.3噸乙酸。作為基礎(chǔ)化工原料，乙酸的全球年需求量超過(guò)了1500萬(wàn)噸，有著廣闊的市場(chǎng)前景。
與傳統(tǒng)方法相比，這項(xiàng)綠色制氫-聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品技術(shù)構(gòu)建了“制氫-儲(chǔ)碳-產(chǎn)酸”的閉環(huán)系統(tǒng)，其碳排放量可以減少38.6%，為可持續(xù)的氫能經(jīng)濟(jì)提供了全新的解決方案。
2月13日，這一突破性成果在《科學(xué)》發(fā)表。
團(tuán)隊(duì)成員在做實(shí)驗(yàn)。受訪者供圖
催化劑穩(wěn)定運(yùn)行超1000小時(shí)
在制氫領(lǐng)域，催化劑的“高活性”與“高穩(wěn)定性”平衡一直是個(gè)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(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，穩(wěn)定性才是影響生產(chǎn)持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵指標(biāo)，直接關(guān)系催化劑能否真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
在甲醇-水重整（MSR）產(chǎn)氫催化體系中，高活性催化劑可以提升催化反應(yīng)效率，但也容易在反應(yīng)過(guò)程中加速失效。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，傳統(tǒng)催化劑的平均壽命不足200小時(shí)。
因此，兼具活性與穩(wěn)定性的催化劑對(duì)氫能的生產(chǎn)和應(yīng)用尤為重要。
在一次偶然的機(jī)會(huì)下，馬丁發(fā)現(xiàn)，貴金屬鉑（Pt）與碳化鉬、氮化鉬（α-MoC、γ-Mo2N）等活性載體構(gòu)建的界面催化體系可以在較低溫度下實(shí)現(xiàn)制氫。如果希望把這一發(fā)現(xiàn)順利應(yīng)用，催化劑的活性與高穩(wěn)定性需要兼顧。
基于這一發(fā)現(xiàn)，他提出一種兼顧活性的催化劑穩(wěn)定策略：在催化劑表面構(gòu)筑惰性稀土氧化物的納米覆蓋層，形成納米尺度的“保護(hù)盾”，這可以保護(hù)界面催化結(jié)構(gòu)，并在不影響界面結(jié)構(gòu)的超高催化活性的前提下提升催化劑的穩(wěn)定性。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該新型催化劑在MSR制氫反應(yīng)中展現(xiàn)出超過(guò)1000小時(shí)的穩(wěn)定性。同時(shí)，該催化劑還實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1500萬(wàn)的催化轉(zhuǎn)化數(shù)，保持了超高活性，創(chuàng)造了甲醇-水制氫催化反應(yīng)的最高紀(jì)錄。
馬丁告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這項(xiàng)突破還找到了界面催化劑穩(wěn)定性的“通用密碼”。他發(fā)現(xiàn)，在釔（Y）、鐠（Pr）等稀土元素，鈣（Ca）、鍶（Sr）等廉價(jià)金屬中，均有可能實(shí)現(xiàn)類似的效果。這一高活性產(chǎn)氫催化劑穩(wěn)定策略還有機(jī)會(huì)“無(wú)痛”應(yīng)用在更多高性能高催化劑的設(shè)計(jì)中。
2月12日，相關(guān)成果在《自然》發(fā)表。
氫氣生產(chǎn)的“可持續(xù)引擎”
氫能技術(shù)尚處在發(fā)展時(shí)期，大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)。歸根究底，傳統(tǒng)氫能生產(chǎn)還長(zhǎng)期面臨著低碳、低成本、高穩(wěn)定性難以兼顧的桎梏。
馬丁團(tuán)隊(duì)一直致力于為氫氣的產(chǎn)業(yè)化尋找可能性。2014年，馬丁啟動(dòng)相關(guān)研究，致力于解決綠色制氫難題。3年后，金屬-碳化鉬催化劑相關(guān)成果在《自然》雜志發(fā)表。十余年來(lái)，馬丁團(tuán)隊(duì)及其合作者在金屬碳化物催化劑用于氫氣生產(chǎn)方面的深入研究，一步步將實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)打磨成產(chǎn)業(yè)化的希望。
該團(tuán)隊(duì)通過(guò)催化劑設(shè)計(jì)和反應(yīng)路徑優(yōu)化，從源頭上降低了制氫過(guò)程的碳排放，同時(shí)，通過(guò)在催化劑表面構(gòu)筑惰性納米覆蓋層，進(jìn)一步突破了催化體系的穩(wěn)定性瓶頸，形成了高效、穩(wěn)定的制氫技術(shù)。
“目前，化工行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，是通過(guò)可持續(xù)的方法，來(lái)生產(chǎn)我們?nèi)粘Ｉ钫嬲枰漠a(chǎn)品。”馬丁說(shuō)，“在這項(xiàng)研究中，通過(guò)綠色制氫技術(shù)，降低了能耗，緩解了氫氣儲(chǔ)運(yùn)難題，為化工、醫(yī)藥等更多產(chǎn)業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型帶來(lái)了可能性?！?span style="display:none">dHk即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
馬丁表示，目前這些成果仍處于基礎(chǔ)研究階段，主要闡釋了產(chǎn)氫過(guò)程的底層科學(xué)，雖然為產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用提供了“工具箱”和“知識(shí)庫(kù)”，但他更希望研究能夠真正從實(shí)驗(yàn)室“走出去”。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，馬丁已經(jīng)開(kāi)始了相關(guān)嘗試。
“我們開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的陣列產(chǎn)氫裝置，并已形成專利，提供了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的催化劑放大測(cè)試平臺(tái)，讓我們更貼近氫氣的應(yīng)用現(xiàn)實(shí)?！瘪R丁同時(shí)指出，“真正實(shí)現(xiàn)綠色制氫還有很長(zhǎng)的路要走。要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需產(chǎn)學(xué)研深入合作和相關(guān)政策的支持。通過(guò)政策引導(dǎo)推動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)氫能的規(guī)模化、低碳化應(yīng)用。”
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adt0682
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08483-w
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-1746-0.html《自然》《科學(xué)》連發(fā)，他在綠色制氫領(lǐng)域十年磨“雙劍”
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