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(chǎn)業(yè)化的舞臺。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(yè)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”正面臨嚴峻挑戰(zhàn)——我們使用的氫氣中，絕大多數(shù)仍來自化石能源，且含有大量一氧化碳、二氧化碳等雜質(zhì)，這些“粗制氫氣”難以滿足氫燃料電池汽車等高端應(yīng)用對純度的嚴苛要求。因此，如何高效提純“粗氫”，成為決定氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

航天飛機主發(fā)動機以液態(tài)氫氣作為燃料

（圖片來源：維基百科）

氫氣：化工行業(yè)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(xiàn)代工業(yè)體系中扮演著不可或缺的角色。在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，氫氣是名副其實的“化工之血”——約半數(shù)氫氣消費量都用于合成氨和合成甲醇這兩大支柱產(chǎn)業(yè)。合成氨作為化肥生產(chǎn)的關(guān)鍵原料，維系著全球糧食安全；而合成甲醇則是石油化工的重要中間體，可衍生出眾多化工產(chǎn)品。

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(chǎn)中充當保護氣，精確調(diào)控爐內(nèi)環(huán)境。轉(zhuǎn)向玻璃制造車間，氫氣不僅能作為清潔燃料逐步替代天然氣，更在高端玻璃制造過程中發(fā)揮還原作用，賦予玻璃特殊的性能表現(xiàn)。

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(yè)原料正迎來重要轉(zhuǎn)變，成為能源轉(zhuǎn)型浪潮中的關(guān)鍵角色。氫能最引人注目的特質(zhì)在于其優(yōu)異的清潔性：不論是直接燃燒還是通過燃料電池發(fā)電，唯一的副產(chǎn)品只有水，其能量轉(zhuǎn)換效率也令人驚嘆。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(tài)或液態(tài)儲存，又能通過改造現(xiàn)有天然氣管道實現(xiàn)大規(guī)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——通過電解水制氫，可以將間歇性的風電、光伏電力轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可儲存的化學能，有效解決可再生能源的波動性問題。這種獨特的“電力-氫氣-能源”轉(zhuǎn)化鏈條，正在重塑能源格局。

氫從何來？化石能源的“副產(chǎn)品困局”

在現(xiàn)代工業(yè)體系中，氫氣雖然用途廣泛，但其制備過程卻面臨一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：目前主流的制氫方法都會產(chǎn)生含雜質(zhì)的“粗氫”，這為后續(xù)使用帶來了諸多不便。

歷史悠久的煤制氫技術(shù)已發(fā)展百余年。通過高溫氣化工藝，煤炭與水蒸氣反應(yīng)后，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(zhì)氣體。雖然這項技術(shù)成熟穩(wěn)定，但需要經(jīng)過復雜的凈化處理才能獲得純凈的氫氣。

目前更經(jīng)濟的制氫方案是天然氣蒸汽重整（SMR）。在700-1100攝氏度的反應(yīng)條件下，甲烷與水蒸氣反應(yīng)生成的氫氣同樣含有雜質(zhì)。每生產(chǎn)1噸氫氣，就會伴隨產(chǎn)生大量的一氧化碳等副產(chǎn)物。

相比之下，電解水制氫能直接獲得高純度氫氣，不會產(chǎn)生一氧化碳等雜質(zhì)。但受限于較高的電力成本，這種方法目前還難以大規(guī)模應(yīng)用。

2024年中國氫氣生產(chǎn)結(jié)構(gòu)

（圖片來源：《中國氫能發(fā)展報告2025》）

這些傳統(tǒng)制氫方法共同面臨一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：產(chǎn)出的粗氫都需要經(jīng)過復雜的提純處理才能滿足高端應(yīng)用需求。面對這一技術(shù)瓶頸，科學家們正在探索創(chuàng)新解決方案——開發(fā)一種“智能轉(zhuǎn)換器”，它不僅能高效提純粗氫，還能將氫氣轉(zhuǎn)化為更易儲存和運輸?shù)男螒B(tài)。這個曾被視為天方夜譚的構(gòu)想，如今正在實驗室中逐步實現(xiàn)。

中國方案：用“分子魔術(shù)”實現(xiàn)氫能提純

面對粗氫提純這一工藝難題，我國科學家團隊開創(chuàng)性地提出了全新解決方案。復旦大學與北京大學聯(lián)合科研團隊成功研制出具有特殊抗毒化能力的催化劑體系。該技術(shù)可直接處理含大量一氧化碳、二氧化碳等雜質(zhì)的粗氫，通過催化轉(zhuǎn)化將其儲存于液態(tài)有機物中，實現(xiàn)了氫氣的便捷提純與高效儲存一體化。

這項技術(shù)的核心突破在于解決了液態(tài)有機儲氫載體（LOHCs）領(lǐng)域長期存在的關(guān)鍵瓶頸。所謂液態(tài)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反應(yīng)與氫氣發(fā)生加成，生成穩(wěn)定的液態(tài)醇類儲氫物質(zhì)。簡單來說就是用一種特殊的液體來儲存氫氣，這種液體遇到氫氣后，能通過化學反應(yīng)緊緊“抱住”氫氣，變成另一種穩(wěn)定的液體。

這種“化學儲氫”方式與直接儲存液態(tài)氫氣相比，既安全又高效，但一直面臨著一個棘手的難題：傳統(tǒng)使用的貴金屬催化劑（如鈀、鉑等）對一氧化碳等雜質(zhì)極度敏感，即使?jié)舛鹊椭涟偃f分之一（ppm級），這些雜質(zhì)也會牢牢占據(jù)催化劑的活性位點，導致催化劑“中毒”失效。

更令人困擾的是，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(shù)困境。這一矛盾長期制約著液態(tài)有機儲氫技術(shù)的實際應(yīng)用和發(fā)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(fā)的氧化鋁/銅基催化劑成功突破了這一限制。該催化劑能在一氧化碳等雜質(zhì)濃度超過50%的苛刻條件下，高效催化γ-丁內(nèi)酯（GBL）加氫生成1，4-丁二醇（BDO），儲氫密度達4.4wt%。這就相當于1，4-丁二醇是一個特別能“裝”氫氣的容器，4.4wt%即每100克1，4-丁二醇里能“裝”進去4.4克氫氣。

更令人矚目的是，在隨后的脫氫過程中可釋放純度超過99.998%的高純氫氣，完整實現(xiàn)了“粗氫進-純氫出”的轉(zhuǎn)化鏈條。經(jīng)過5次充放循環(huán)和370小時連續(xù)運行測試，催化劑仍保持穩(wěn)定活性，展現(xiàn)出優(yōu)異的工業(yè)化應(yīng)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制：“物理隔離+電子調(diào)控”雙重保護

那么，這種新型催化劑為何能對雜質(zhì)毒化“免疫”呢？研究團隊通過系統(tǒng)的CO（一氧化碳）吸附實驗，深入解析了催化劑的抗毒化機制。

實驗結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)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(xiàn)出極低的CO不可逆吸附量。這一現(xiàn)象與催化加氫過程中觀察到的優(yōu)異CO耐受性高度一致，進一步通過紅外光譜分析證實：該催化劑表面幾乎檢測不到銅-CO鍵的特征吸收峰。

這說明，新型催化劑的抗毒化機制關(guān)鍵在于其獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計。傳統(tǒng)銅基催化劑中的Cu+離子（亞銅離子）位點極易與CO結(jié)合，而氧化鋁/銅催化劑通過以下創(chuàng)新設(shè)計解決了這一難題：首先，氧化鋁載體以物理包覆形式穩(wěn)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(tài)存在，這種電子狀態(tài)對CO的吸附能力顯著降低。這種“物理隔離+電子調(diào)控”的雙重保護機制，使催化劑在保持高活性的同時，獲得了優(yōu)異的抗毒化性能。

這項發(fā)表于《自然·能源》的創(chuàng)新成果，為氫能產(chǎn)業(yè)描繪了令人振奮的發(fā)展前景。隨著技術(shù)不斷成熟，“廢氫變高純氫”的工業(yè)化示范項目有望在不久的將來落地。

更具革命性的是，該技術(shù)可與可再生能源深度耦合——通過風電、光伏電力電解水制取粗氫后提純，構(gòu)建從“綠電”到“綠氫”的完整零碳產(chǎn)業(yè)鏈。展望未來，加油站或許將配備小型制氫裝置，實時將儲罐中的液態(tài)氫能載體轉(zhuǎn)化為超純氫燃料，為氫燃料電池汽車提供“即產(chǎn)即用”的清潔能源。

參考文獻：

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