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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
太陽系系主任
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零碳排放綠色制氫技術(shù)研究取得新突破
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零碳排放綠色制氫技術(shù)研究取得新突破 氫能被視為未來清潔能源體系的核心，其生產(chǎn)方式直接影響全球碳中和目標的實現(xiàn)。然而，當前全球約96%的氫氣仍依賴化石燃料制備，每生產(chǎn)1噸氫氣通常伴隨9-12噸二氧化碳的排放，這與全球“雙碳”戰(zhàn)略目標形成顯著矛盾。因此，開發(fā)真正綠色、高效、低碳的制氫技術(shù)已成為全球能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵課題。 近年來，生物乙醇因其可再生性（來源于農(nóng)林廢棄物）、高含氫量（13 wt%）及良好的儲運安全性，成為備受關(guān)注的綠色制氫原料。然而，傳統(tǒng)的乙醇-水重整制氫技術(shù)仍存在兩大難題：首先，該過程通常需在400-600℃的高溫條件下進行，能耗高且難以避免乙醇分子C-C鍵斷裂導致的CO2排放；其次，現(xiàn)有催化劑易受到積碳和燒結(jié)失活的影響，限制了其工業(yè)化應(yīng)用，難以兼顧催化效率與長期穩(wěn)定性。 突破性綠色制氫技術(shù)：精準催化實現(xiàn)零碳排放 針對上述挑戰(zhàn)，中國科學院大學周武教授課題組與北京大學馬丁教授課題組、北京大學周繼寒研究員課題組以及英國卡迪夫大學Graham J. Hutchings教授攜手合作，基于周武教授與馬丁教授團隊在金屬-碳化鉬（M/α-MoC）催化劑體系近十年的合作研究積累（ Nature 2017, 544, 80-83； Science 2017, 357, 389-393； Nature 2021, 589, 396-401），開創(chuàng)性地提出金屬-碳化鉬體系"選擇性部分重整"制氫新技術(shù)。這一技術(shù)通過原子級精準設(shè)計、調(diào)控Pt/Ir雙金屬-α-MoC界面，將乙醇-水重整反應(yīng)從傳統(tǒng)的完全重整（氧化）路徑轉(zhuǎn)變?yōu)檫x擇性部分重整路徑（C2H5OH + H2O → 2H2 + CH3COOH），在270℃溫和條件下實現(xiàn)高通量氫氣制備，同時聯(lián)產(chǎn)高值化學品(乙酸)。 此過程從反應(yīng)源頭消除了CO2直接排放，同時將反應(yīng)物中的碳資源高選擇性地轉(zhuǎn)化為液態(tài)化學品。這一成果不僅為氫能產(chǎn)業(yè)的碳中和轉(zhuǎn)型提供了新的范式，也為生物質(zhì)資源“氫氣-化學品聯(lián)產(chǎn)”的循環(huán)經(jīng)濟模式奠定了重要基礎(chǔ)。該研究成果于2025年2月14日以“Thermal catalytic reforming for hydrogen production with zero CO2 emission”為題發(fā)表在最新一期的Science雜志（DOI: 10.1126/science.adt0682）。 催化劑突破：原子級精準設(shè)計和結(jié)構(gòu)調(diào)控，實現(xiàn)高效穩(wěn)定制氫 研究團隊開發(fā)的新型鉑-銥雙金屬催化劑（PtIr/α-MoC），其核心創(chuàng)新在于原子尺度的界面工程設(shè)計。單原子分辨的低壓掃描透射電鏡（STEM）電子能量損失譜（EELS）成像分析表明，在3wt%負載的3Pt/α-MoC催化劑中，Pt物種主要以單原子和團簇的形式存在于MoC表面，其中Pt團簇的尺寸約為1 nm。而在催化劑中引入相近載量的Ir物種后，3Pt3Ir/α-MoC催化劑中Pt物種的分散性得到了顯著提升，同時Ir主要以高分散的單原子形式存在。這一結(jié)果源于原子級分散的Pt和Ir物種與α-MoC載體之間不同程度的強相互作用，其中Ir優(yōu)先在載體表面落位，有效促進了Pt的分散，同時約束了Pt顆粒的生成，從而構(gòu)建高密度的界面催化活性位點，并且避免貴金屬顆粒的形成，有效抑制了催化過程中C-C鍵的斷裂。這一設(shè)計確保了催化劑能夠在溫和條件下高效活化乙醇-水體系，并保持長期穩(wěn)定性。 催化性能評價顯示，該催化劑在270°C條件下，氫氣產(chǎn)率達到331.3毫摩爾每克催化劑每小時，乙酸選擇性高達84.5%，并且在長達100小時的穩(wěn)定性測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗失活能力。相比傳統(tǒng)乙醇-水重整反應(yīng)，這一新技術(shù)不僅能耗更低、更加環(huán)保，同時提供了一條綠色制備乙酸的新路徑。 邁向可持續(xù)未來的關(guān)鍵一步 從產(chǎn)業(yè)化角度來看，該綠色制氫-聯(lián)產(chǎn)化學品技術(shù)展現(xiàn)出了可觀的經(jīng)濟潛力。研究團隊評估發(fā)現(xiàn)，每噸乙醇可聯(lián)產(chǎn)1.3噸乙酸，而乙酸作為基礎(chǔ)化工原料，在全球的年需求量超過1500萬噸。與傳統(tǒng)石化法制乙酸相比，該新工藝可減少62%的碳排放，形成"制氫-儲碳-產(chǎn)酸"的閉環(huán)系統(tǒng)，可在醋酸纖維、醫(yī)藥中間體等領(lǐng)域形成低碳替代方案。 這一研究不僅為可持續(xù)氫能經(jīng)濟提供了新的解決方案，也為未來氫氣生產(chǎn)與儲存技術(shù)的發(fā)展開辟了新方向。隨著全球能源體系向低碳化轉(zhuǎn)型，這項突破性的催化技術(shù)有望成為推動綠色氫能產(chǎn)業(yè)的重要助力，為實現(xiàn)全球碳中和目標貢獻關(guān)鍵力量。 在本研究中，周武課題組首次利用單原子分辨的低壓STEM- EELS成像技術(shù)，實現(xiàn)了對催化劑上周期表中相鄰貴金屬物種的原子級化學成像，清晰揭示了載體上單原子Ir物種對Pt物種分散度的促進作用。與常規(guī)STEM-HAADF原子序數(shù)襯度（Z-contrast）分析相比，該方法在多元素混合的復雜體系中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，能夠更精準地解析雙金屬催化劑體系，甚至更復雜的催化劑體系中負載金屬之間以及負載金屬-載體之間的強相互作用。這一技術(shù)為深入理解催化劑活性提升機制提供了直接的結(jié)構(gòu)證據(jù)，對高效催化劑體系的設(shè)計和優(yōu)化具有重要意義。 該論文第一作者包括北京大學特聘副研究員彭覓、已出站博士后葛玉振、內(nèi)蒙古大學教授高瑞、中國科學技術(shù)大學博士生楊杰、以及中國科學院大學已畢業(yè)博士生李傲雯。該研究工作獲得科技部國家重點研發(fā)計劃、中國科學院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊項目、國家自然科學基金、騰訊基金會科學探索獎、新基石研究員項目、北京分子科學國家研究中心、中國科學院大學電子顯微學實驗室等資助。 論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt0682 周武教授課題組主頁：https://zhouwu.ucas.ac.cn/ 圖1. PtIr/α-MoC催化劑的結(jié)構(gòu)分析 圖2. PtIr/α-MoC催化劑的催化性能 |
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