《自然》《科学》连发，他在绿色制氢领域十年磨“双剑”

转自：中国科学报

因为燃烧后仅生成水，氢气曾被视为实现碳中和目标的理想能源。

然而，目前全球约96%的氢气生产仍依赖化石燃料。每生产1吨这种“灰氢”，就伴随着十余吨二氧化碳排放。

氢气的“清洁能源”标签及其原本承载的碳中和目标在其制备过程中难以实现，更难实现产业化应用。

“要实现清洁制氢目标，必须从源头减少碳排放。”北京大学化学与分子工程学院教授马丁已经在金属-碳化钼催化剂体系深耕十余年。近日，他和合作伙伴两天内先后在《科学》《自然》发表两项突破性成果，向氢气绿色生产迈出了关键一步。

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较传统制氢减少38.6%碳排放

氢气是一种二次能源，不能直接开采，而是需要从水、化石燃料等含氢物质中分解和制备。目前，传统制氢工艺仍然以化石燃料为原料，在300℃至1200℃的高温条件下进行反应，不但能耗巨大，而且伴随着大量二氧化碳排放。

以应用最为广泛的蒸汽甲烷重整（SMR）技术为例，天然气中的甲烷可以与水蒸气在催化剂的作用下在高温下反应，从而生成氢气和二氧化碳。据统计，这一化学反应制取 1千克氢气的碳排量就超过12千克。

若不能从源头破解氢气生产中的碳排放问题，氢能承载的低碳愿景将难以实现。

近日，马丁与中国科学院大学教授周武课题组、北京大学化学与分子工程学院研究员周继寒课题组以及英国卡迪夫大学教授 Graham J. Hutchings 联合开发了“选择性部分重整”技术，为攻克这一难题带来了希望。

他们以农林废弃物转化而来的生物乙醇为起点，将乙醇-水重整反应从传统的完全重整路径转变为选择性部分重整路径。该路径将反应温度降至270℃，更为关键的是，反应中的碳原子不再生成二氧化碳，而是转化为乙酸。

这也意味着，这一氢气生产新路径实现了在不排放二氧化碳的前提下高效生产氢气，还可以联产高值化学品乙酸。在这一反应路径中，每吨乙醇约可联产1.3吨乙酸。作为基础化工原料，乙酸的全球年需求量超过了1500万吨，有着广阔的市场前景。

与传统方法相比，这项绿色制氢-联产化学品技术构建了“制氢-储碳-产酸”的闭环系统，其碳排放量可以减少38.6%，为可持续的氢能经济提供了全新的解决方案。

2月13日，这一突破性成果在《科学》发表。

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催化剂稳定运行超1000小时

在制氢领域，催化剂的“高活性”与“高稳定性”平衡一直是个难题。

催化剂活性和选择性是衡量其性能的核心因素，但在实际工业应用中，稳定性才是影响生产持续性和经济性的关键指标，直接关系催化剂能否真正实现大规模应用。

在甲醇-水重整（MSR）产氢催化体系中，高活性催化剂可以提升催化反应效率，但也容易在反应过程中加速失效。据相关研究报道，传统催化剂的平均寿命不足200小时。

因此，兼具活性与稳定性的催化剂对氢能的生产和应用尤为重要。

在一次偶然的机会下，马丁发现，贵金属铂（Pt）与碳化钼、氮化钼（α-MoC、γ-Mo2N）等活性载体构建的界面催化体系可以在较低温度下实现制氢。如果希望把这一发现顺利应用，催化剂的活性与高稳定性需要兼顾。

基于这一发现，他提出一种兼顾活性的催化剂稳定策略：在催化剂表面构筑惰性稀土氧化物的纳米覆盖层，形成纳米尺度的“保护盾”，这可以保护界面催化结构，并在不影响界面结构的超高催化活性的前提下提升催化剂的稳定性。

根据实验结果，该新型催化剂在MSR制氢反应中展现出超过1000小时的稳定性。同时，该催化剂还实现了超过1500万的催化转化数，保持了超高活性，创造了甲醇-水制氢催化反应的最高纪录。

马丁告诉《中国科学报》，这项突破还找到了界面催化剂稳定性的“通用密码”。他发现，在钇（Y）、镨（Pr）等稀土元素，钙（Ca）、锶（Sr）等廉价金属中，均有可能实现类似的效果。这一高活性产氢催化剂稳定策略还有机会“无痛”应用在更多高性能高催化剂的设计中。

2月12日，相关成果在《自然》发表。

氢气生产的“可持续引擎”

氢能技术尚处在发展时期，大规模的产业化应用尚未实现。归根究底，传统氢能生产还长期面临着低碳、低成本、高稳定性难以兼顾的桎梏。

马丁团队一直致力于为氢气的产业化寻找可能性。2014年，马丁启动相关研究，致力于解决绿色制氢难题。3年后，金属-碳化钼催化剂相关成果在《自然》杂志发表。十余年来，马丁团队及其合作者在金属碳化物催化剂用于氢气生产方面的深入研究，一步步将实验室的发现打磨成产业化的希望。

该团队通过催化剂设计和反应路径优化，从源头上降低了制氢过程的碳排放，同时，通过在催化剂表面构筑惰性纳米覆盖层，进一步突破了催化体系的稳定性瓶颈，形成了高效、稳定的制氢技术。

“目前，化工行业面临的关键挑战，是通过可持续的方法，来生产我们日常生活真正需要的产品。”马丁说，“在这项研究中，通过绿色制氢技术，降低了能耗，缓解了氢气储运难题，为化工、医药等更多产业的低碳转型带来了可能性。”

马丁表示，目前这些成果仍处于基础研究阶段，主要阐释了产氢过程的底层科学，虽然为产业发展和应用提供了“工具箱”和“知识库”，但他更希望研究能够真正从实验室“走出去”。

为了实现这一目标，马丁已经开始了相关尝试。

“我们开发了实验室规模的阵列产氢装置，并已形成专利，提供了实验室规模的催化剂放大测试平台，让我们更贴近氢气的应用现实。”马丁同时指出，“真正实现绿色制氢还有很长的路要走。要实现产业化，还需产学研深入合作和相关政策的支持。通过政策引导推动全产业链协同发展，才能实现氢能的规模化、低碳化应用。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adt0682

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08483-w

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