由于燃燒后僅生成水，氫氣曾被視為實現(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噸這種所謂的“灰氫”，就伴隨著10余噸二氧化碳的排放。氫氣作為“清潔能源”承載的碳中和目標(biāo)在制備過程中難以實現(xiàn)，更難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
“要實現(xiàn)清潔制氫，必須從源頭減少碳排放。”北京大學(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10余年。近日，他與合作者兩天內(nèi)先后在《科學(xué)》《自然》發(fā)表兩項突破性成果，向綠色生產(chǎn)氫氣邁出了關(guān)鍵一步。
氫氣是一種二次能源，不能直接開采，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，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，高溫條件下，天然氣中的甲烷可以與水蒸氣在催化劑作用下反應(yīng)，從而生成氫氣和二氧化碳。據(jù)統(tǒng)計，用這一化學(xué)反應(yīng)制取1千克氫氣的碳排量超過12千克。
若不能從源頭解決氫氣生產(chǎn)中的碳排放問題，氫能承載的低碳愿景將難以實現(xiàn)。
馬丁與中國科學(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卡迪夫大學(xué)教授Graham J.Hutchings聯(lián)合開發(fā)的“選擇性部分重整”技術(shù)，為破解上述難題帶來了希望。
研究人員以農(nóng)林廢棄物轉(zhuǎn)化而來的生物乙醇為起點，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。
該氫氣生產(chǎn)新路徑不僅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1500萬噸，市場前景廣闊。
與傳統(tǒng)方法相比，這項綠色制氫-聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品技術(shù)構(gòu)建了“制氫—儲碳—產(chǎn)酸”的閉環(huán)系統(tǒng)，可以減少38.6%的碳排放量，為可持續(xù)的氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了全新解決方案。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。
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，但在反應(yīng)過程中容易加速失效。相關(guān)研究報道，傳統(tǒng)催化劑的平均壽命不足200小時。
因此，兼具活性與穩(wěn)定性的催化劑對氫能的生產(chǎn)和應(yīng)用尤為重要。
在一次偶然的機(jī)會中，馬丁發(fā)現(xiàn)，貴金屬鉑與碳化鉬、氮化鉬等活性載體構(gòu)建的界面催化體系可以在較低溫度下制氫。如果想順利應(yīng)用該發(fā)現(xiàn)，要兼顧催化劑的活性與高穩(wěn)定性。
為此，馬丁提出一種二者兼顧的催化劑穩(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”，以保護(hù)界面催化結(jié)構(gòu)，并在不影響界面結(jié)構(gòu)超高催化活性的前提下提升催化劑穩(wěn)定性。
根據(jù)實驗結(jié)果，該新型催化劑在MSR制氫反應(yīng)中展現(xiàn)出超過1000小時的穩(wěn)定性。同時，該催化劑還實現(xiàn)了超過1500萬的催化轉(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)紀(jì)錄。
馬丁告訴《中國科學(xué)報》，該研究還找到了界面催化劑穩(wěn)定性的“通用密碼”。他發(fā)現(xiàn)，上述策略在釔、鐠等稀土元素以及鈣、鍶等廉價金屬中，均可能實現(xiàn)類似效果。這一高活性產(chǎn)氫催化劑穩(wěn)定策略還有機(jī)會應(yīng)用在更多高性能催化劑設(shè)計中。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。
目前，氫能技術(shù)尚處于發(fā)展時期，其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚未實現(xiàn)，原因在于傳統(tǒng)氫能生產(chǎn)長期面臨低碳、低成本、高穩(wěn)定性難以兼顧的困局。
馬丁團(tuán)隊一直致力于尋找氫氣產(chǎn)業(yè)化的可能性。2014年，他啟動相關(guān)研究，破解綠色制氫難題。10余年來，馬丁團(tuán)隊及合作者在金屬碳化物催化劑用于氫氣生產(chǎn)方面深入研究，一步步打磨實驗室的發(fā)現(xiàn)， 為其產(chǎn)業(yè)化帶來希望。
該團(tuán)隊通過催化劑設(shè)計和反應(yīng)路徑優(yōu)化，從源頭降低了制氫過程的碳排放；同時，通過在催化劑表面構(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)是通過可持續(xù)的方法，生產(chǎn)我們?nèi)粘Ｉ钪姓嬲枰漠a(chǎn)品。”馬丁說，“在這項研究中，我們通過綠色制氫技術(shù)，降低了能耗，破解了氫氣儲運難題，為化工、醫(yī)藥等更多產(chǎn)業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型帶來了可能性。”
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)氫過程的底層科學(xué)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用提供了“工具箱”和“知識庫”。他希望研究成果能夠從實驗室“走出去”。為此，馬丁正在進(jìn)行相關(guān)嘗試。
“我們開發(fā)了實驗室規(guī)模的陣列產(chǎn)氫裝置，并已形成專利，提供了實驗室規(guī)模的催化劑放大測試平臺，讓我們更貼近氫氣應(yīng)用的現(xiàn)實場景。”馬丁指出，“真正實現(xiàn)綠色制氫還有很長的路要走。要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需產(chǎn)學(xué)研深入合作和相關(guān)政策支持。通過政策引導(dǎo)推動全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，才能實現(xiàn)氫能的規(guī)?；?、低碳化應(yīng)用。”
責(zé)任編輯： 江曉蓓
標(biāo)簽：碳排放
節(jié)能低碳
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