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由于燃烧后仅生成水，氢气曾被视为实现碳中和目标的理想能源。
然而，目前全球约96%的氢气生产仍依赖化石燃料。每生产1吨这种所谓的“灰氢”，就伴随着10余吨二氧化碳的排放。氢气作为“清洁能源”承载的碳中和目标在制备过程中难以实现，更难实现产业化应用。
团队成员在做实验。受访者供图
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“要实现清洁制氢，必须从源头减少碳排放。”北京大学化学与分子工程学院教授马丁已经在金属-碳化钼催化剂体系深耕10余年。近日，他与合作者两天内先后在《科学》《自然》发表两项突破性成果，向绿色生产氢气迈出了关键一步。
较传统制氢减少38.6%碳排放
氢气是一种二次能源，不能直接开采，需要从水、化石燃料等含氢物质中分解和制备。目前，传统制氢工艺仍然以化石燃料为原料，在300℃至1200℃的高温条件下进行，不但能耗巨大，而且伴随着大量二氧化碳排放。
以应用最为广泛的蒸汽甲烷重整（SMR）技术为例，高温条件下，天然气中的甲烷可以与水蒸气在催化剂作用下反应，从而生成氢气和二氧化碳。据统计，用这一化学反应制取1千克氢气的碳排量超过12千克。
若不能从源头解决氢气生产中的碳排放问题，氢能承载的低碳愿景将难以实现。
马丁与中国
科学院大学教授周武课题组、北京大学化学与分子工程学院研究员周继寒课题组以及英国卡迪夫大学教授Graham J.Hutchings联合开发的“选择性部分重整”技术，为破解上述难题带来了希望。
研究人员以农林废弃物转化而来的生物乙醇为起点，将乙醇-水重整反应从传统的完全重整路径转变为选择性部分重整路径。该路径将反应温度降至270℃，更为关键的是，反应中的碳原子不再生成二氧化碳，而是转化为乙酸。
该氢气生产新路径不仅在不排放二氧化碳的前提下高效生产氢气，还可以联产高值化学品乙酸。在这一反应路径中，每吨乙醇约可联产1.3吨乙酸。作为基础化工原料，乙酸的全球年需求量超过1500万吨，市场前景广阔。
与传统方法相比，这项绿色制氢-联产化学品技术构建了“制氢—储碳—产酸”的闭环系统，可以减少38.6%的碳排放量，为可持续的氢能经济发展提供了全新解决方案。相关研究成果发表于《科学》。
催化剂稳定运行超1000小时
在制氢领域，催化剂的“高活性”与“高稳定性”平衡一直是个难题。
催化剂活性和选择性是衡量其性能的核心因素，但在实际工业应用中，稳定性才是影响生产持续性和经济性的关键指标，直接关系催化剂能否真正实现大规模应用。
在甲醇-水重整（MSR）产氢催化体系中，高活性催化剂可以提升催化反应效率，但在反应过程中容易加速失效。相关研究报道，传统催化剂的平均寿命不足200小时。
因此，兼具活性与稳定性的催化剂对氢能的生产和应用尤为重要。
在一次偶然的机会中，马丁发现，贵金属铂与碳化钼、氮化钼等活性载体构建的界面催化体系可以在较低温度下制氢。如果想顺利应用该发现，要兼顾催化剂的活性与高稳定性。
为此，马丁提出一种二者兼顾的催化剂稳定策略：在催化剂表面构筑惰性稀土氧化物的纳米覆盖层，形成纳米尺度的“保护盾”，以保护界面催化结构，并在不影响界面结构超高催化活性的前提下提升催化剂稳定性。
根据实验结果，该新型催化剂在MSR制氢反应中展现出超过1000小时的稳定性。同时，该催化剂还实现了超过1500万的催化转化数，保持了超高活性，创造了甲醇-水制氢催化反应纪录。
马丁告诉《中国科学报》，该研究还找到了界面催化剂稳定性的“通用密码”。他发现，上述策略在钇、镨等稀土元素以及钙、锶等廉价金属中，均可能实现类似效果。这一高活性产氢催化剂稳定策略还有机会应用在更多高性能催化剂设计中。相关研究成果发表于《自然》。
氢气生产的“可持续引擎”
目前，氢能技术尚处于发展时期，其大规模产业化应用尚未实现，原因在于传统氢能生产长期面临低碳、低成本、高稳定性难以兼顾的困局。
马丁团队一直致力于寻找氢气产业化的可能性。2014年，他启动相关研究，破解绿色制氢难题。10余年来，马丁团队及合作者在金属碳化物催化剂用于氢气生产方面深入研究，一步步打磨实验室的发现，为其产业化带来希望。
该团队通过催化剂设计和反应路径优化，从源头降低了制氢过程的碳排放；同时，通过在催化剂表面构筑惰性纳米覆盖层，进一步突破了催化体系的稳定性瓶颈，形成了高效、稳定的制氢技术。
“目前，化工行业面临的关键挑战是通过可持续的方法，生产我们日常生活中真正需要的产品。”马丁说，“在这项研究中，我们通过绿色制氢技术，降低了能耗，破解了氢气储运难题，为化工、医药等更多产业的低碳转型带来了可能性。”
马丁表示，目前这些成果仍处于基础研究阶段，主要阐释了产氢过程的底层科学，为产业发展和应用提供了“工具箱”和“知识库”。他希望研究成果能够从实验室“走出去”。为此，马丁正在进行相关尝试。
“我们开发了实验室规模的阵列产氢装置，并已形成专利，提供了实验室规模的催化剂放大测试平台，让我们更贴近氢气应用的现实场景。”马丁指出，“真正实现绿色制氢还有很长的路要走。要实现产业化，还需产学研深入合作和相关政策支持。通过政策引导推动全产业链协同发展，才能实现氢能的规模化、低碳化应用。”
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adt0682
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08483-w
《中国科学报》(2025-02-24第3版综合)
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