在工業(yè)生產(chǎn)中，氫氣的制取通常依賴于碳基資源，這就需要將氫氣從一氧化碳、二氧化碳、烴類和氮?dú)獾入s質(zhì)中分離出來(lái)。傳統(tǒng)的凈化方法復(fù)雜且能耗高的，難以連續(xù)轉(zhuǎn)換和去除這些雜質(zhì)的工藝。

2025年7月10日，北京大學(xué)馬丁，復(fù)旦大學(xué)朱義峰在國(guó)際知名期刊Nature Energy發(fā)表題為《A catalytic cycle that enables crude hydrogen separation, storage and transportation》的研究論文，Yue Chen為論文第一作者，馬丁、朱義峰為論文共同通訊作者。

在本文中，作者引入了一種可逆催化循環(huán)，通過(guò)反向Al2O3/Cu催化劑實(shí)現(xiàn)γ-丁內(nèi)酯與1, 4-丁二醇的相互轉(zhuǎn)化，從而從粗氫原料中高效分離和儲(chǔ)存氫氣。

該過(guò)程可在低溫下將含雜超過(guò)50%的粗氫轉(zhuǎn)化為純氫。反向Al2O3/Cu催化劑對(duì)雜質(zhì)的低親和力和高分散性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)以往認(rèn)為難以達(dá)成的粗氫和廢氣氫分離。

此方法避免了使用昂貴的壓力擺動(dòng)吸附或膜系統(tǒng)，展現(xiàn)出在粗氫或工業(yè)尾氣利用過(guò)程中的大規(guī)模應(yīng)用潛力，為全球從灰氫/藍(lán)氫向綠氫轉(zhuǎn)型提供了低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)能的替代方案。

圖1.（a）全球粗氫和廢氫的年產(chǎn)量。（b）代表性粗氫和廢氫資源的組成。柱高代表氣體成分濃度的平均值，點(diǎn)表示濃度范圍的最小值和最大值。（c）一氧化碳對(duì)催化活性影響的調(diào)查。x軸的中斷是為了清晰顯示低濃度一氧化碳的數(shù)據(jù)點(diǎn)。（d）銅催化的GBL-BDO相互轉(zhuǎn)化直接從粗氫和廢氫中捕獲氫氣。（e）傳統(tǒng)順序工藝用于氫氣分離中的雜質(zhì)提取。副產(chǎn)品主要包括在煉油廠和石化工業(yè)中產(chǎn)生的氫氣，其中焦?fàn)t煤氣單獨(dú)列出。Texaco和Lurgi氣體指的是煤炭氣化的兩種粗氫類型。SMR：蒸汽甲烷重整；COG：焦?fàn)t煤氣；AS：氨合成；MS：甲醇合成；FT合成：費(fèi)托合成；BFG：高爐煤氣；LDG：林茨-多瑙轉(zhuǎn)爐煤氣。

圖2.（a）純氫中的GBL加氫反應(yīng)。（b）BDO脫氫反應(yīng)。（c）Cu/Al2O3-ox催化劑上通過(guò)GBL-BDO相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行可逆氫氣捕獲/釋放測(cè)試。（d，e）Cu/Al2O3-ox和Cu/ZnO-cp催化劑上的GBL加氫反應(yīng)的CO耐受性測(cè)試。（f）用于雜質(zhì)耐受性測(cè)試的粗氫和廢氫組成。（g）Cu/Al2O3-ox催化的粗氫/廢氫中的GBL加氫反應(yīng)。加氫條件（a，c，d，e，g）：0.5 mLGBL gcat-1 h-1，H2/GBL=10。a和c中的H2壓力為5 MPa，d、e和g中固定為3 MPa，通過(guò)引入N2維持壓力平衡。脫氫條件（b，c）：0.1 MPa，H2載氣40 mL min-1，0.5 mL BDO gcat-1 h-1。c–e和g中的溫度為170 °C。c-e和g中的彩色陰影突出顯示了反應(yīng)條件的變化。

圖3.（a）GBL加氫反應(yīng)中CO反應(yīng)級(jí)數(shù)，及銅催化劑活性測(cè)試。（b）170 ℃下一氧化碳在多種催化劑上的不可逆吸附情況。（c）170 ℃下Cu/Al2O3-ox和Cu/ZnO-cp的CO-IR光譜分析。（d）不同激發(fā)光能量下Cu/Al2O3-ox的XPS圖譜。（e）活化Cu/Al2O3-ox的近表面元素深度剖析。（f）Cu/Al2O3-ox和銅標(biāo)準(zhǔn)樣品的Cu L3M45M45俄歇譜圖。圖（a）中的數(shù)值代表三次采樣的平均值，實(shí)線表示用于確定CO反應(yīng)級(jí)數(shù)的線性擬合。圖（b）中的數(shù)據(jù)來(lái)源于等溫線擬合結(jié)果，橙色柱狀圖表示不可逆CO吸附容量，藍(lán)色方塊表示相關(guān)吸附系數(shù)，圖（e）中的虛線作為視覺(jué)輔助。

圖4.（a）基于煤制氣典型案例的GBL-BDO相互轉(zhuǎn)化氫氣分離工藝的經(jīng)濟(jì)敏感性分析。（b）使用GBL-BDO工藝從不同原料中分離/回收氫氣的成本。ROG代表煉油廠尾氣。圖（b）中的藍(lán)色柱高代表二氧化碳捕獲成本的平均值，誤差條表示二氧化碳捕獲成本的最小值和最大值范圍。

綜上，作者開發(fā)了一種基于γ-丁內(nèi)酯（GBL）和1, 4-丁二醇（BDO）相互轉(zhuǎn)化的可逆催化循環(huán)，利用逆向Al2O3/Cu催化劑實(shí)現(xiàn)了從粗氫原料中高效分離和儲(chǔ)存氫氣，解決了傳統(tǒng)方法中復(fù)雜的雜質(zhì)去除和高能耗問(wèn)題。

該過(guò)程能夠在低溫下將含雜質(zhì)量超過(guò)50%的粗氫轉(zhuǎn)化為高純氫（>99.998%），且催化劑成本低、穩(wěn)定性高，歷經(jīng)5次儲(chǔ)放循環(huán)及370h動(dòng)態(tài)操作未見(jiàn)失活跡象。研究還發(fā)現(xiàn)，該催化劑對(duì)一氧化碳（CO）等雜質(zhì)具有出色的耐受性，通過(guò)機(jī)理研究其耐受性源于催化劑對(duì)雜質(zhì)的弱吸附。

該技術(shù)在粗氫或工業(yè)尾氣的利用中具有大規(guī)模應(yīng)用潛力，有望支持全球從灰氫/藍(lán)氫向綠氫的轉(zhuǎn)變，為氫能儲(chǔ)運(yùn)提供低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的解決方案。

A catalytic cycle that enables crude hydrogen separation, storage and transportation. Nature Energy , 2025. https://doi.org/10.1038/s41560-025-01806-9.

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