【导语】在全球迈向碳中和的征程中，氢能作为清洁能(néng)源(yuán)“王(wáng)牌(pái)”正(zhèng)加(jiā)速(sù)产(chǎn)业(yè)化(huà)，但(dàn)当(dāng)前(qián)超九成氢气源自化石能源，产生的“粗氢”含大量杂质，难以满足高端应用需求，提纯成为关键瓶颈。我国科学家另辟蹊径，研制出特殊催化剂，实现“粗氢进-纯氢出”，为氢能产业带来零碳发展新曙光。
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作者：刘煜超（中国科学技术大学）
监制：中国科普博览
在全球向碳中和目标迈进的过程中，氢能正从实验室走向产业化的舞台。作为宇宙中含量最丰富的元素，氢不仅是火箭推(tuī)进(jìn)剂(jì)的(de)核(hé)心(xīn)成(chéng)分(fēn)，还(hái)能(néng)为(wèi)新(xīn)能(néng)源(yuán)汽(qì)车(chē)提(tí)供(gōng)动(dòng)力(lì)，更(gèng)是(shì)化(huà)工(gōng)、冶(yě)金(jīn)等(děng)行(xíng)业(yè)不(bù)可(kě)或(huò)缺(quē)的(de)原(yuán)料(liào)。
然(rán)而(ér)，一(yī)个(gè)鲜(xiān)为(wèi)人(rén)知(zhī)的(de)事(shì)实(shí)是(shì)：当(dāng)前所谓的“氢能革命”正面临严峻挑战——我们使用的氢气中，绝大多数仍来自化石能源，且含有大量一氧化碳、二氧化碳等杂质，这些“粗制氢气”难以满足氢燃料电池汽车等高端应用对纯度的严苛要求(qiú)。因(yīn)此(cǐ)，如(rú)何(hé)高效提纯“粗氢”，成为决定氢能产业发展的关键技术瓶颈。
航天飞机主发动机以液态氢气作为燃料
（图片来源：维基百科）
氢气：化工行业的“血液”，绿色能源的“王牌”
氢气，这个由两个氢原子组成的简单分子，在现代工业体系中扮演着不可或缺的角色。在传统工业领域，氢气是名副其实的“化工之血”——约半数氢气消费量都用于合成氨和合成甲醇这两大支柱产业。合成氨作为化肥生产的关键原料，维系着全球粮食安全；而合成甲醇则是石油化工的重要中间体，可衍生出众多化工产品。
走进钢铁厂，氢气既能在高炉中作为还原剂助力铁矿石冶炼，又能在特种钢材生产中充当保护气，精确调控炉内环境。转向玻璃制造车间(jiān)，氢(qīng)气(qì)不(bù)仅(jǐn)能(néng)作(zuò)为(wèi)清(qīng)洁(jié)燃(rán)料(liào)逐(zhú)步(bù)替(tì)代(dài)天(tiān)然(rán)气(qì)，更(gèng)在(zài)高(gāo)端(duān)玻(bō)璃(lí)制(zhì)造(zào)过(guò)程(chéng)中(zhōng)发(fā)挥(huī)还(hái)原(yuán)作(zuò)用(yòng)，赋(fù)予(yǔ)玻(bō)璃(lí)特(tè)殊(shū)的(de)性(xìng)能(néng)表(biǎo)现(xiàn)。
氢能源的利用途径
（图片来源：参考文献[1]）
当人类步入21世纪，这个古老的工业原料正迎来重要转变，成为能源转型浪潮中的关键角色。氢能最引人注目的特质在于其优异的清洁性：不论是直接燃烧还是通过燃料电池发电，唯一的副产品只有水，其能量转换效率也令人惊叹。更难得的是，氢能兼具电能的灵活性和化石能源的便利性——既能以气态或液态储存，又能通过改造现有天然气管道实现大规模输送。
特别值得一提的是，氢气为可再生能源的消纳提供了理想解决方案——通过电解水制氢，可以将间歇性的风电、光伏电力转化为稳定可储存的化学能，有效解决可再生能源的波动性问题。这种独特的“电力-氢气-能源”转化链条，正在重塑能源格局。
氢从何来？化石能源的“副产品困局”
在现代工业体系中，氢气虽然用途广泛，但其制备过程却面临一个关键挑战：目前主流的制氢方法都会产生含杂质的“粗氢”，这为后续使用带来了诸多不便。
历(lì)史(shǐ)悠(yōu)久(jiǔ)的(de)煤(méi)制(zhì)氢(qīng)技(jì)术(shù)已(yǐ)发(fā)展(zhǎn)百(bǎi)余(yú)年(nián)。通(tōng)过(guò)高(gāo)温(wēn)气(qì)化(huà)工(gōng)艺(yì)，煤(méi)炭(tàn)与水蒸气反应后，得到的粗氢气中不可避免地混有一氧化碳、二氧化碳等杂质气体。虽然这项技术成熟稳定，但需要经过复杂的净化处理才能获得纯净的氢气。
目前更经济的制氢方案是天然气蒸汽重整（SMR）。在700-1100摄氏度的反应条件下，甲烷与水蒸气反应生成的氢气同样含有杂质。每生产1吨氢气，就会伴随产生大量的一氧化碳等副产物。
相比之下，电解水制氢能直接获得高纯度氢气，不会产生一氧化碳等杂质。但受限于较高的电力成本，这种方法目前还难以大规模应用。
2024年中国氢气生产结构
（图片来源：《中国氢能发展报告2025》）
这些传统制氢方法共同面临一个关键挑战：产出的粗氢都需要经过复杂的提纯处理才能满足高端应用需求。面对这一技术瓶颈，科学家们正在探索创新解决方案——开发一种“智能转换器”，它不仅能高效提纯粗氢，还能将氢气转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)更易储存和运输的形态。这个曾被视为天方夜谭的构想，如今正在实验室中逐步实现。
中国方案：用“分子魔术”实现氢能提纯
面对粗氢提纯这一工艺难题，我国科学家团队开创性地提出了全新解决方案。复旦大学与北京大学联合科研团队成功研制出具有特殊抗毒化能力的催化剂体系。该技术可直接处理含大量一氧化碳、二氧化碳等杂质的粗氢，通过催化转化将其储存于液态有机物中，实现了氢气的便捷提纯与高效储存一体化。
这项技术的核心突破在于解决了液态有机储氢载体（LOHCs）领域长期存在的关键瓶颈。所谓液态有机储氢载体，往往是指一类含有不饱和键（如羰基、酯基等）的有机化合物，它们能够通过催化加氢反应与氢气发生加成，生成稳定的液态醇类储氢物质。简单来说就是用一种特殊的液体来储存氢气，这种液体遇到氢气后，能通过化学反应紧紧“抱住”氢气，变成另一种稳定的液体。
这种“化学储氢”方式与直接储存液态氢气相比，既安全又高效，但一直面临着一个棘手的难题：传统使用的贵金属催化剂（如钯、铂等）对一氧化碳等杂质极(jí)度(dù)敏(mǐn)感(gǎn)，即(jí)使(shǐ)浓(nóng)度(dù)低(dī)至(zhì)百(bǎi)万(wàn)分(fēn)之(zhī)一(yī)（ppm级(jí)），这(zhè)些(xiē)杂(zá)质(zhì)也(yě)会(huì)牢(láo)牢(láo)占(zhàn)据(jù)催(cuī)化(huà)剂(jì)的(de)活(huó)性(xìng)位(wèi)点(diǎn)，导(dǎo)致(zhì)催(cuī)化(huà)剂(jì)“中(zhōng)毒(dú)”失(shī)效(xiào)。
更(gèng)令(lìng)人(rén)困(kùn)扰的是，虽然通过某些改性手段可以提高催化剂的抗毒化能力，但这往往会导致其加氢活性大幅下降，形成“鱼与熊掌不可兼得”的技术困境。这一矛盾长期制约着液态有(yǒu)机(jī)储(chǔ)氢(qīng)技(jì)术(shù)的(de)实(shí)际(jì)应(yīng)用(yòng)和(hé)发(fā)展(zhǎn)。
粗氢分离与储存一体化的工艺图
（图片来源：中国科学报）
中国科研团队研发的氧化铝/铜基催化剂成功突破了这一限制。该催化剂能在一氧化碳等杂质浓度超过50%的苛刻条件下，高效催化γ-丁内酯（GBL）加氢生成1，4-丁二醇（BDO），储氢密度达4.4wt%。这就相当于1，4-丁二醇是一个特别能“装”氢气的容器，4.4wt%即每100克1，4-丁二醇里能“装”进去4.4克氢气。
更令人瞩目的是，在随后的脱氢过程中可释放纯度超过99.998%的高纯氢气，完整实现了“粗氢进-纯氢出”的转化链条。经过5次充放循环和370小时连续运行测试，催化剂仍保持稳定活性，展现出优异的工业化应用前景。
氧化铝/铜催化剂催化GBL-BDO可逆储放氢性能测试
（图片来源：参考文献[5]）
新型催化剂(jì)的(de)抗(kàng)毒(dú)化(huà)机(jī)制(zhì)：“物(wù)理(lǐ)隔(gé)离(lí)+电(diàn)子(zi)调(diào)控(kòng)”双(shuāng)重(zhòng)保(bǎo)护(hù)
那(nà)么(me)，这(zhè)种(zhǒng)新(xīn)型(xíng)催(cuī)化剂为何能对杂质毒化“免疫”呢？研究团队通过系统的CO（一氧化碳）吸附实验，深入解析了催化剂的抗毒化机制。
实验结果显示，与传统贵金属催化剂或其他负载型铜基催化剂相比，氧化铝/铜催化剂表现出极低的CO不可逆吸附量。这一现象与催化加氢过程中观察到的优异CO耐受性高度一致，进一步通过红外光谱分析证实：该催化剂表面几乎检测不到铜-CO键的特征吸收峰。
这说明，新型催化剂的抗毒化机制关键在于其独特的结构设计。传统铜基催化剂中的Cu+离子（亚铜离子）位点极易与CO结合，而氧化铝/铜催化剂通过以下创新设计解决了这一难题：首先，氧化铝载体以物理包覆形式稳定铜颗粒，有效防止其团聚失活；更重要的是，催化剂中的铜主要以金属态存在，这种电子状态对CO的吸附能力显著降低。这种“物理隔离+电子调控”的双重保护机制，使催化剂在保持高活性的同时，获得了优异的抗毒化性能。
这(zhè)项(xiàng)发(fā)表(biǎo)于(yú)《自(zì)然(rán)·能(néng)源(yuán)》的(de)创(chuàng)新(xīn)成(chéng)果(guǒ)，为(wèi)氢(qīng)能(néng)产(chǎn)业(yè)描(miáo)绘(huì)了(le)令(lìng)人(rén)振(zhèn)奋(fèn)的(de)发(fā)展(zhǎn)前(qián)景(jǐng)。随(suí)着(zhe)技(jì)术(shù)不(bù)断(duàn)成(chéng)熟(shú)，“废(fèi)氢(qīng)变(biàn)高(gāo)纯(chún)氢”的工业化示范项目有望在不久的将来落地。
更具革命性的是，该技术可与可再生能源深度耦合——通过风电、光伏电力电解水制取粗氢后提纯，构建从“绿电”到(dào)“绿(lǜ)氢(qīng)”的(de)完(wán)整(zhěng)零(líng)碳(tàn)产(chǎn)业(yè)链(liàn)。展(zhǎn)望(wàng)未(wèi)来(lái)，加(jiā)油(yóu)站(zhàn)或(huò)许(xǔ)将(jiāng)配(pèi)备(bèi)小(xiǎo)型(xíng)制(zhì)氢(qīng)装(zhuāng)置(zhì)，实(shí)时(shí)将(jiāng)储(chǔ)罐(guàn)中(zhōng)的(de)液(yè)态(tài)氢(qīng)能(néng)载(zài)体(tǐ)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)超(chāo)纯(chún)氢(qīng)燃(rán)料(liào)，为(wèi)氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)汽(qì)车(chē)提(tí)供(gōng)“即(jí)产(chǎn)即(jí)用(yòng)”的(de)清(qīng)洁(jié)能(néng)源(yuán)。
参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)：
[1]赵永志,蒙波,陈霖新,等.氢能源的利用现状分析[J].化工进展,2015,34(09):3248-3255.DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.007.
[2]黄健健,陈聪,柯道瑶,等.氢能在工业领域应用现状分析[J].广州化工,2025,53(13):1-3+74.DOI:10.20220/j.cnki.1001-9677.2025.13.001.
[3]李桂亮,张文昌,刘家敏,等.我国“氢能产业2.0阶段”发展现状与展望[J/OL].现代化工,1-10[2025-07--30].
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[5]Chen Y, Kong X, Yang C, et al. A catalytic cycle that enables crude hydrogen separation, storage and transportation [J]. Nature Energy, 2025.
