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(biāo)的實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)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(biāo)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(chǔ)運(yùn)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(jìn)行，能耗高且難以避免乙醇分子C-C鍵斷裂導(dǎo)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。
突破性綠色制氫技術(shù)：精準(zhǔn)催化實(shí)現(xiàn)零碳排放
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周武教授課題組與北京大學(xué)馬丁教授課題組、北京大學(xué)周繼寒研究員課題組以及英國(guó)卡迪夫大學(xué)Graham J. Hutchings教授攜手合作，基于周武教授與馬丁教授團(tuán)隊(duì)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(jí)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、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(shí)現(xiàn)高通量氫氣制備，同時(shí)聯(lián)產(chǎn)高值化學(xué)品(乙酸)。
此過程從反應(yīng)源頭消除了CO2直接排放，同時(shí)將反應(yīng)物中的碳資源高選擇性地轉(zhuǎn)化為液態(tài)化學(xué)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(xué)品聯(lián)產(chǎn)”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(jí)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定制氫
研究團(tuán)隊(duì)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(jì)。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(fù)載的3Pt/α-MoC催化劑中，Pt物種主要以單原子和團(tuán)簇的形式存在于MoC表面，其中Pt團(tuán)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(shí)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(jí)分散的Pt和Ir物種與α-MoC載體之間不同程度的強(qiáng)相互作用，其中Ir優(yōu)先在載體表面落位，有效促進(jìn)了Pt的分散，同時(shí)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(diǎn)，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(jì)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。
催化性能評(píng)價(jià)顯示，該催化劑在270°C條件下，氫氣產(chǎn)率達(dá)到331.3毫摩爾每克催化劑每小時(shí)，乙酸選擇性高達(dá)84.5%，并且在長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)的穩(wěn)定性測(cè)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(shí)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(xué)品技術(shù)展現(xiàn)出了可觀的經(jīng)濟(jì)潛力。研究團(tuán)隊(duì)評(píng)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(chǔ)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(jì)提供了新的解決方案，也為未來氫氣生產(chǎn)與儲(chǔ)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(xiàng)突破性的催化技術(shù)有望成為推動(dòng)綠色氫能產(chǎn)業(yè)的重要助力，為實(shí)現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)催化劑上周期表中相鄰貴金屬物種的原子級(jí)化學(xué)成像，清晰揭示了載體上單原子Ir物種對(duì)Pt物種分散度的促進(jìn)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(fù)雜體系中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，能夠更精準(zhǔn)地解析雙金屬催化劑體系，甚至更復(fù)雜的催化劑體系中負(fù)載金屬之間以及負(fù)載金屬-載體之間的強(qiáng)相互作用。這一技術(shù)為深入理解催化劑活性提升機(jī)制提供了直接的結(jié)構(gòu)證據(jù)，對(duì)高效催化劑體系的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。
該論文第一作者包括北京大學(xué)特聘副研究員彭覓、已出站博士后葛玉振、內(nèi)蒙古大學(xué)教授高瑞、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生楊杰、以及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)已畢業(yè)博士生李傲雯。該研究工作獲得科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、騰訊基金會(huì)科學(xué)探索獎(jiǎng)、新基石研究員項(xiàng)目、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子顯微學(xué)實(shí)驗(yàn)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
（原標(biāo)題：國(guó)科大周武課題組合作在零碳排放綠色制氫技術(shù)研究取得新突破）
本文鏈接：http://m.020gz.com.cn/news-8-1658-0.html零碳排放綠色制氫技術(shù)研究取得新突破
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