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【导(dǎo)语(yǔ)】当(dāng)前(qián)全球(qiú)正(zhèng)加(jiā)速(sù)迈(mài)向(xiàng)碳(tàn)中(zhōng)和(hé)，氢(qīng)能(néng)作(zuò)为(wèi)关键绿(lǜ)色(sè)能(néng)源(yuán)，却(què)因(yīn)主流(liú)制(zhì)氢(qīng)法(fǎ)产(chǎn)生(shēng)的(de)“粗(cū)氢(qīng)”含(hán)大(dà)量(liàng)杂(zá)质(zhì)，难(nán)以(yǐ)满(mǎn)足(zú)高(gāo)端应用需求，提纯成为产业发展的关键瓶颈。我国科学家另辟蹊径，复旦大学与北京大学联合团队研发出氧化铝/铜基催化剂，以“物理隔离+电子调控”双重保护机制，实现“粗氢进-纯氢出”，为氢能产业带来零碳发展新曙光。

出品：

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，氢不仅是火箭推进剂的核心成分，还能为新能源汽车提供动力，更是化工、冶金等行业不可或缺的原料。

然而，一个鲜为人知的事实是：当前所谓的“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。因此，如何高效提纯“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，氢气不仅能作为清洁燃料逐步替代天然气，更在高端玻璃制造过程中发挥还原作用，赋予玻璃特殊的性能表现。

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。

历史悠久的煤制氢技术已发展百余年。通过高温气化工艺，煤炭与水蒸气反应后，得到的粗氢气中不可避免地混有一(yī)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)、二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)等(děng)杂(zá)质(zhì)气(qì)体(tǐ)。虽(suī)然(rán)这(zhè)项(xiàng)技(jì)术(shù)成(chéng)熟(shú)稳(wěn)定(dìng)，但(dàn)需(xū)要(yào)经(jīng)过(guò)复(fù)杂(zá)的(de)净(jìng)化(huà)处(chù)理(lǐ)才(cái)能(néng)获(huò)得(de)纯(chún)净(jìng)的(de)氢(qīng)气(qì)。

目(mù)前(qián)更(gèng)经(jīng)济(jì)的(de)制(zhì)氢(qīng)方(fāng)案(àn)是(shì)天(tiān)然(rán)气(qì)蒸(zhēng)汽(qì)重(zhòng)整(zhěng)（SMR）。在(zài)700-1100摄(shè)氏(shì)度(dù)的(de)反(fǎn)应(yīng)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)，甲(jiǎ)烷(wán)与(yǔ)水(shuǐ)蒸(zhēng)气(qì)反(fǎn)应(yīng)生(shēng)成(chéng)的(de)氢(qīng)气(qì)同(tóng)样(yàng)含(hán)有(yǒu)杂(zá)质(zhì)。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(zhǎn)报(bào)告(gào)2025》）

这(zhè)些(xiē)传(chuán)统(tǒng)制(zhì)氢(qīng)方(fāng)法(fǎ)共(gòng)同(tóng)面(miàn)临(lín)一(yī)个(gè)关键挑(tiāo)战(zhàn)：产(chǎn)出(chū)的(de)粗(cū)氢(qīng)都(dōu)需(xū)要(yào)经(jīng)过(guò)复(fù)杂(zá)的(de)提(tí)纯(chún)处(chù)理(lǐ)才(cái)能(néng)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，还能将氢气转化为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(běi)京(jīng)大(dà)学(xué)联(lián)合(hé)科(kē)研(yán)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(shí)现(xiàn)了(le)氢(qīng)气(qì)的(de)便(biàn)捷(jié)提(tí)纯(chún)与(yǔ)高(gāo)效(xiào)储(chǔ)存(cún)一(yī)体(tǐ)化(huà)。

这(zhè)项(xiàng)技(jì)术(shù)的(de)核(hé)心(xīn)突(tū)破(pò)在(zài)于(yú)解(jiě)决(jué)了(le)液(yè)态(tài)有(yǒu)机(jī)储(chǔ)氢(qīng)载(zài)体(tǐ)（LOHCs）领(lǐng)域长(zhǎng)期(qī)存(cún)在(zài)的(de)关键瓶(píng)颈(jǐng)。所(suǒ)谓(wèi)液(yè)态(tài)有(yǒu)机(jī)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(yòng)一(yī)种(zhǒng)特(tè)殊(shū)的(de)液(yè)体(tǐ)来(lái)储(chǔ)存(cún)氢(qīng)气(qì)，这(zhè)种(zhǒng)液(yè)体(tǐ)遇(yù)到(dào)氢(qīng)气(qì)后(hòu)，能(néng)通(tōng)过(guò)化(huà)学(xué)反(fǎn)应(yīng)紧(jǐn)紧(jǐn)“抱(bào)住(zhù)”氢(qīng)气(qì)，变(biàn)成(chéng)另(lìng)一(yī)种(zhǒng)稳(wěn)定(dìng)的(de)液(yè)体(tǐ)。

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度敏感，即使浓度低至百万分之一（ppm级），这些杂质也会牢牢占据催化剂的活性位点，导致催化剂“中毒”失效。

更令人困扰的是，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机储氢技术的实际应用和发展。

粗氢分离与储存一体化的工艺图

（图片来源：中国科学报）

中(zhōng)国(guó)科(kē)研(yán)团(tuán)队(duì)研(yán)发(fā)的(de)氧(yǎng)化(huà)铝(lǚ)/铜(tóng)基(jī)催(cuī)化(huà)剂(jì)成(chéng)功(gōng)突(tū)破(pò)了(le)这(zhè)一(yī)限(xiàn)制(zhì)。该(gāi)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(mù)的(de)是(shì)，在(zài)随(suí)后(hòu)的(de)脱(tuō)氢(qīng)过(guò)程(chéng)中(zhōng)可(kě)释(shì)放(fàng)纯(chún)度(dù)超(chāo)过(guò)99.998%的(de)高(gāo)纯(chún)氢(qīng)气(qì)，完(wán)整(zhěng)实(shí)现(xiàn)了(le)“粗(cū)氢(qīng)进(jìn)-纯(chún)氢(qīng)出(chū)”的(de)转(zhuǎn)化(huà)链(liàn)条(tiáo)。经(jīng)过(guò)5次(cì)充(chōng)放(fàng)循(xún)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(yuán)：参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)[5]）

新(xīn)型(xíng)催(cuī)化(huà)剂(jì)的(de)抗(kàng)毒(dú)化(huà)机(jī)制(zhì)：“物(wù)理(lǐ)隔离+电子调控”双重保护

那么，这种新型催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(xìng)高(gāo)度(dù)一(yī)致(zhì)，进(jìn)一(yī)步(bù)通(tōng)过(guò)红(hóng)外(wài)光(guāng)谱(pǔ)分(fēn)析(xī)证(zhèng)实(shí)：该(gāi)催(cuī)化(huà)剂(jì)表(biǎo)面(miàn)几(jǐ)乎(hu)检(jiǎn)测(cè)不(bù)到(dào)铜(tóng)-CO键的(de)特(tè)征(zhēng)吸(xī)收(shōu)峰(fēng)。

这(zhè)说(shuō)明(míng)，新(xīn)型(xíng)催(cuī)化(huà)剂(jì)的(de)抗(kàng)毒(dú)化(huà)机(jī)制(zhì)关键在(zài)于(yú)其(qí)独(dú)特(tè)的(de)结(jié)构(gòu)设(shè)计(jì)。传(chuán)统(tǒng)铜(tóng)基(jī)催(cuī)化(huà)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。

这项发表于《自然·能源》的创新成果，为氢能产业描绘了令人振奋的发展前景。随着技术不断成熟，“废氢变高纯氢”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“绿氢”的完整零碳产业链。展望未来，加油站或许将配备小型制氢装置，实时将储罐中的液态氢能载体转化为超纯氢燃料，为氢燃料电池汽车提供“即产即用”的清洁能源。

参考文献：

[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].

[4]李刚.煤制氢技术发展与应用[J].科技创新与生产力,2024,45(11):54-57.

[5]Chen Y, Kong X, Yang C, et al. A catalytic cycle that enables crude hydrogen separation, storage and transportation [J]. Nature Energy, 2025.