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图1.精准调控催化性能和反应流程，实现粗氢分离与储存一体化

氢能是未来能源转型的关键。目前，全球年产9500多万吨氢气，其中95%以上仍然来自煤炭、天然气和生物质等碳基资源的重整转化，中国年产氢气3300万吨以上。此外，全球钢铁、化工等行业副产氢约990万吨，中国占约460万吨。根据来源不同，这些工业副产氢往往伴生大量CO和CO₂等杂质。由于现有分离与储运技术的限制，大量宝贵的副产氢被作为燃料，未能得到高效的资源化利用。因此，基于工业副产氢的优化利用，发展高效、低成本的氢气分离、纯化与储运技术对于我国基于“低碳绿色”的工业流程重构具有重要的战略意义和广阔的应用前景。

近年来，朱义峰和包信和团队通过发展微毫秒分辨XAS-IR联用谱学、吸附/反应-微量热方法及瞬变动力学分析，实现了对表界面活性结构和反应物种的灵敏动态表征（Sci. China Chem2024, 67, 1545; Sci. China Chem. 2025, 68, 2892）；结合瞬变动力学-红外和瞬变动力学-质谱分析，揭示了催化剂上H₂解离活化物种的动态演变，阐明了不同氧化物结构与H₂/CO_x选择解离能力的调控规律（Nat. Commun. 2024, 15, 540; ChemCatChem2024, 16, e202401421）。相关成果为H₂选择性活化研究奠定了坚实基础。

近期，朱义峰和包信和团队联合北京大学马丁教授，开发出基于γ-丁内酯（GBL）/1,4-丁二醇（BDO）循环体系的氢气分离-储运一体化技术（图1），通过调控粗氢中H₂的选择性活化，将粗氢气中的H₂以催化加氢的方式直接储存到BDO分子中，再经过高选择性脱氢释放高纯氢气，能够实现H₂的一步分离与储存，并成功地将催化加氢反应对CO_x的耐受性从小于2%的文献水平提高到50%以上（图2）。7月10日，相关成果以A catalytic cycle that enables crude hydrogen separation, storage and transportation为题，发表于Nature Energy期刊。

图2.突破高浓度CO_x杂质的耐受限制，通过耐杂质催化加氢从粗氢中直接捕获H₂，再通过高选择性脱氢得到高纯氢。

该技术的核心是反相Al₂O₃/Cu催化剂的创制。该催化剂兼具高效加氢能力与弱CO_x吸附特性，可在不牺牲加氢活性的条件下，大幅提高CO_x毒物的耐受能力。在170 ^oC、CO_x浓度超过50%的条件下，该催化剂仍能保持与纯氢气氛相当的GBL加氢性能（图2）。通过XPS深度剖析证实，少量的Al₂O₃在还原后的Cu表面富集，以结构助剂的形式维持Cu纳米颗粒的高分散，同时因Al₂O₃与Cu的弱相互作用导致Cu⁺难以形成，从而显著降低了CO_x吸附的能力（图3）。此外，该过程规避了传统铜基催化剂的甲醇合成温区，有效降低了CO_x加氢副反应。难能可贵的是，在相同的催化剂和相近的反应条件下，生成的富氢BDO分子可高选择性催化脱氢过程，释放出不含CO_x杂质的高纯氢气，直接满足燃料电池要求。

图 3催化剂的耐CO机理及结构表征。(a)反应温度下的静态吸附揭示Al₂O₃/Cu催化剂上不可逆吸附CO量极低；(b)催化剂表面近区元素深度剖析揭示反相Al₂O₃/Cu结构；(c) Cu俄歇电子谱揭示Cu主要以金属态存在。

与传统工艺相比，该技术实现粗氢高效分离、储存和释放工艺流程的大幅度简化，建立了工业粗氢资源高值化利用的新模式。技术经济分析表明，在粗氢分离、焦炉煤气与工业副产气提氢、分离-储氢一体化等领域展现出显著优势。在当前绿氢尚未具备完全成本竞争力、基础设施尚不完善的背景下，该工作以传统粗氢资源为基础，构建向绿氢转型过程的氢能体系，具备广阔的产业化前景。目前，团队已完成催化剂公斤级放大及稳定性实验，并与企业洽谈进一步的工业示范。

本工作得到了“催化科学”重点研发计划、国家自然科学基金委面上项目、上海科委面上项目等支持，以及上海同步辐射光源BL02B、BL05U、BL06B研究线站的表征支持。论文通讯作者为91直播-美女直播-性爱直播 、未来能源高等研究院的朱义峰青年研究员和北京大学91直播 与分子工程学院马丁教授。

论文链接：//www.nature.com/articles/s41560-025-01806-9