一、【科学背景】
全球年产量超9500万吨的氢气中，98%以上源自化石燃料（煤、天然气等），副产物含高浓度杂质（CO、CO₂、烃类、N₂等）。传统PSA纯化能耗高，而液态储氢载体(LOHCs)常用的贵金属催化剂易被CO毒化。BDO储氢量较高（4.4 wt%），毒性低、价格低廉，且生产设施与工业氢源地域重叠。该体系近年被视为有前景的LOHC候选者；此前缺乏能在高杂质环境下直接催化GBL加氢的高效、稳定催化剂，阻碍其实际应用。IB族金属（如Cu）对CO吸附能力弱，成本低，但传统铜催化剂（如Cu/ZnO）易烧结失活，且低温活性不足。需开发兼具高杂质耐受性（尤其CO）、高加氢/脱氢活性且低温运行的铜基催化剂，以实现粗氢直接纯化-储存-运输一体化。
二、【创新成果】
近日，来自北京大学马丁，复旦大学朱义峰在国际知名期刊Nature Energy发表题为《A catalytic cycle that enables crude hydrogen separation, storage and transportation》的研究论文，提出“逆Al₂O₃/Cu催化剂设计”，通过草酸凝胶法合成Cu/Al₂O₃-ox，形成氧化铝包裹铜纳米颗粒的“逆结构”，抑制Cu⁺位点生成，大幅降低CO吸附。利用低温催化循环：在170℃实现GBL⇌BDO高效可逆转化，直接从含>50%杂质的粗氢中捕获氢，再释放超纯氢。该方法经验证具有卓越的稳定性和优异的经济环保性。
三 、【图文导读】
图1 全球氢气生产、杂质分布与新旧工艺对比 ©2025 Springer Nature
图2 Cu催化的GBL–BDO与原油和废氢的相互转化 ©2025 Springer
图3 机理研究表明优化后的Cu催化剂具有较高的CO耐受性 ©2025 Springer Nature
图4 技术经济分析 ©2025 Springer Nature
四、【科学启迪】
总之，作者通过通过逆Al₂O₃/Cu催化剂实现了对高浓度杂质（最高50% CO）的“免疫”，颠覆了“杂质必须被清除”的固有认知，这让大家了解了催化剂的表面结构设计（如反向氧化物包覆金属纳米颗粒）可以主动规避杂质干扰，而不是被动净化原料。同时作者让催化剂的活性与抗中毒性通过界面工程解耦，而非依赖贵金属或复杂改性，为催化剂的“反向结构”设计提供了新的范式；并且作者将氢化-脱氢反应本身转化为分离工具，通过设计可逆反应体系实现“一步提纯”，简化流程并降低能耗。从而实现废氢中的杂质不再是负担，而是潜在的资源，进而使得工业体系逐步向绿色转型，若结合光伏电力和生物基GBL，碳足迹可降至0.19 kg CO₂-eq/kg H₂（接近绿氢水平）。这种系统级创新为未来氢能、碳循环乃至其他能源化学过程提供了可迁移的方法论。
原文详情：
A catalytic cycle that enables crude hydrogen separation, storage and transportation. Nat Energy (2025).
DOI: 10.1038/s41560-025-01806-9
本文由尼古拉斯供稿
