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yexuqing木虫之王 (文学泰斗)
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零碳排放绿色制氢技术研究取得新突破
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零碳排放绿色制氢技术研究取得新突破 氢能被视为未来清洁能源体系的核心，其生产方式直接影响全球碳中和目标的实现。然而，当前全球约96%的氢气仍依赖化石燃料制备，每生产1吨氢气通常伴随9-12吨二氧化碳的排放，这与全球“双碳”战略目标形成显著矛盾。因此，开发真正绿色、高效、低碳的制氢技术已成为全球能源转型的关键课题。 近年来，生物乙醇因其可再生性（来源于农林废弃物）、高含氢量（13 wt%）及良好的储运安全性，成为备受关注的绿色制氢原料。然而，传统的乙醇-水重整制氢技术仍存在两大难题：首先，该过程通常需在400-600℃的高温条件下进行，能耗高且难以避免乙醇分子C-C键断裂导致的CO2排放；其次，现有催化剂易受到积碳和烧结失活的影响，限制了其工业化应用，难以兼顾催化效率与长期稳定性。 突破性绿色制氢技术：精准催化实现零碳排放 针对上述挑战，中国科学院大学周武教授课题组与北京大学马丁教授课题组、北京大学周继寒研究员课题组以及英国卡迪夫大学Graham J. Hutchings教授携手合作，基于周武教授与马丁教授团队在金属-碳化钼（M/α-MoC）催化剂体系近十年的合作研究积累（ Nature 2017, 544, 80-83； Science 2017, 357, 389-393； Nature 2021, 589, 396-401），开创性地提出金属-碳化钼体系"选择性部分重整"制氢新技术。这一技术通过原子级精准设计、调控Pt/Ir双金属-α-MoC界面，将乙醇-水重整反应从传统的完全重整（氧化）路径转变为选择性部分重整路径（C2H5OH + H2O → 2H2 + CH3COOH），在270℃温和条件下实现高通量氢气制备，同时联产高值化学品(乙酸)。 此过程从反应源头消除了CO2直接排放，同时将反应物中的碳资源高选择性地转化为液态化学品。这一成果不仅为氢能产业的碳中和转型提供了新的范式，也为生物质资源“氢气-化学品联产”的循环经济模式奠定了重要基础。该研究成果于2025年2月14日以“Thermal catalytic reforming for hydrogen production with zero CO2 emission”为题发表在最新一期的Science杂志（DOI: 10.1126/science.adt0682）。 催化剂突破：原子级精准设计和结构调控，实现高效稳定制氢 研究团队开发的新型铂-铱双金属催化剂（PtIr/α-MoC），其核心创新在于原子尺度的界面工程设计。单原子分辨的低压扫描透射电镜（STEM）电子能量损失谱（EELS）成像分析表明，在3wt%负载的3Pt/α-MoC催化剂中，Pt物种主要以单原子和团簇的形式存在于MoC表面，其中Pt团簇的尺寸约为1 nm。而在催化剂中引入相近载量的Ir物种后，3Pt3Ir/α-MoC催化剂中Pt物种的分散性得到了显著提升，同时Ir主要以高分散的单原子形式存在。这一结果源于原子级分散的Pt和Ir物种与α-MoC载体之间不同程度的强相互作用，其中Ir优先在载体表面落位，有效促进了Pt的分散，同时约束了Pt颗粒的生成，从而构建高密度的界面催化活性位点，并且避免贵金属颗粒的形成，有效抑制了催化过程中C-C键的断裂。这一设计确保了催化剂能够在温和条件下高效活化乙醇-水体系，并保持长期稳定性。 催化性能评价显示，该催化剂在270°C条件下，氢气产率达到331.3毫摩尔每克催化剂每小时，乙酸选择性高达84.5%，并且在长达100小时的稳定性测试中表现出优异的抗失活能力。相比传统乙醇-水重整反应，这一新技术不仅能耗更低、更加环保，同时提供了一条绿色制备乙酸的新路径。 迈向可持续未来的关键一步 从产业化角度来看，该绿色制氢-联产化学品技术展现出了可观的经济潜力。研究团队评估发现，每吨乙醇可联产1.3吨乙酸，而乙酸作为基础化工原料，在全球的年需求量超过1500万吨。与传统石化法制乙酸相比，该新工艺可减少62%的碳排放，形成"制氢-储碳-产酸"的闭环系统，可在醋酸纤维、医药中间体等领域形成低碳替代方案。 这一研究不仅为可持续氢能经济提供了新的解决方案，也为未来氢气生产与储存技术的发展开辟了新方向。随着全球能源体系向低碳化转型，这项突破性的催化技术有望成为推动绿色氢能产业的重要助力，为实现全球碳中和目标贡献关键力量。 在本研究中，周武课题组首次利用单原子分辨的低压STEM- EELS成像技术，实现了对催化剂上周期表中相邻贵金属物种的原子级化学成像，清晰揭示了载体上单原子Ir物种对Pt物种分散度的促进作用。与常规STEM-HAADF原子序数衬度（Z-contrast）分析相比，该方法在多元素混合的复杂体系中展现出显著优势，能够更精准地解析双金属催化剂体系，甚至更复杂的催化剂体系中负载金属之间以及负载金属-载体之间的强相互作用。这一技术为深入理解催化剂活性提升机制提供了直接的结构证据，对高效催化剂体系的设计和优化具有重要意义。 该论文第一作者包括北京大学特聘副研究员彭觅、已出站博士后葛玉振、内蒙古大学教授高瑞、中国科学技术大学博士生杨杰、以及中国科学院大学已毕业博士生李傲雯。该研究工作获得科技部国家重点研发计划、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、国家自然科学基金、腾讯基金会科学探索奖、新基石研究员项目、北京分子科学国家研究中心、中国科学院大学电子显微学实验室等资助。 论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt0682 周武教授课题组主页：https://zhouwu.ucas.ac.cn/ 图1. PtIr/α-MoC催化剂的结构分析 图2. PtIr/α-MoC催化剂的催化性能 |
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