化学学院马丁、周继寒研究团队在零碳排放制氢技术领域获重大突破
发布时间: 2025-02-28 10:10:32
《科学》杂志2月13日刊发了一项颠覆性研究成果：由北京大学化学与分子工程学院主导，联合中国科学院大学、卡迪夫大学等机构的国际科研团队，开发出零CO2直接排放的热催化制氢技术。这项突破性工艺在270℃的温和条件下，通过新型双金属催化剂可将农林废弃物转化的生物乙醇与水分子直接转化为清洁氢气，同时联产具有重要工业价值的乙酸，为氢能产业提供了兼具环境效益与经济可行性的创新解决方案。
研究团队历时10年研发的新型铂-铱双金属催化剂（PtIr/α-MoC），破解了传统乙醇重整的技术瓶颈。该催化剂通过精准调控活性位点，将反应温度从常规工艺的300~600℃大幅降至270℃，并彻底改变反应路径——在传统工艺必然产生CO₂的环节中，通过阻断中间物C-C键断裂而得到目标产物乙酸分子，而非以温室气体形式排放。
这一突破不仅标志着碳中和氢气生产迈出关键一步，还建立了一种循环经济模式，可从生物质中共生产氢气和高价值化学品。
研究团队表示：“寻找可持续的方法来生产日常生活所需的产品，并实现未来的净零排放目标，是化工行业面临的关键挑战。”
“氢气被广泛认为是实现这些目标的一种途径，一般来说它可以从天然气中提取。然而，这一过程极其耗能，并且在传统生产方式下，会产生大量二氧化碳，从而削弱其环境效益。”
“我们的研究提出了一种新路径，可在不排放CO₂的情况下实现高产率氢气生产。”
PtIr/α-MoC催化剂的结构及催化性能
根据国际能源署（IEA）的数据，目前全球约96%的氢气生产仍依赖化石燃料，每吨氢气的生产会排放9~12吨CO₂。研究团队表示，他们的创新催化技术有望在推动绿色氢能经济和实现全球碳中和目标方面发挥关键作用。
“这相当于在在高通量产氢的同时，在分子层面重建了含碳反应物碳元素的命运轨迹。”论文通讯作者、北京大学化学学院马丁教授解释，“原子级分散的Pt-Ir催化剂，阻断了乙醇分子结构中的C-C键发生断裂所需的di-σcarbon-metal吸附构型的形成，使乙醇分子中的碳原子被完全捕获到乙酸产物中，氢气则以纯气态形式产生。”
与传统化石能源制氢相比，该技术每生产1吨氢气可减少9~12吨CO₂排放。此外，乙酸的共生产不仅提升了该技术的经济可行性，也增强了其可持续性。作为全球年需求量超1500万吨的重要化工原料，可覆盖工艺成本的70%以上。这种创新催化技术在推动绿色氢能经济和支持全球碳中和目标方面具有巨大潜力。
该成果以《零CO₂排放的热催化重整氢气制备》（Thermal catalytic reforming for hydrogen production with zero CO₂ emission）为题发表在《科学》杂志上。
该论文通讯作者是马丁、北京大学化学与分子工程学院研究员周继寒、中国科学院大学教授周武和卡迪夫大学教授Graham J. Hutchings。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及中国科学院大学已毕业博士生李傲雯为该论文的共同第一作者。该研究工作获得科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、新基石研究员项目、北京分子科学国家研究中心、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、中国科学院大学电子显微学实验室等资助。
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