純度超99.998%！科學家破解氫能“提純密碼”

在全球向碳中和目標邁進的過程中，氫能正從實驗室走向產業化的舞臺。作為宇宙中含量最豐富的元素，氫不僅是火箭推進劑的核心成分，還能為新能源汽車提供動力，更是化工、冶金等行業不可或缺的原料。

然而，一個鮮為人知的事實是：當前所謂的“氫能革命”正面臨嚴峻挑戰——我們使用的氫氣中，絕大多數仍來自化石能源，且含有大量一氧化碳、二氧化碳等雜質，這些“粗制氫氣”難以滿足氫燃料電池汽車等高端應用對純度的嚴苛要求。因此，如何高效提純“粗氫”，成為決定氫能產業發展的關鍵技術瓶頸。

航天飛機主發動機以液態氫氣作為燃料

（圖片來源：維基百科）

氫氣：化工行業的“血液”，綠色能源的“王牌”

氫氣，這個由兩個氫原子組成的簡單分子，在現代工業體系中扮演著不可或缺的角色。在傳統工業領域，氫氣是名副其實的“化工之血”——約半數氫氣消費量都用于合成氨和合成甲醇這兩大支柱產業。合成氨作為化肥生產的關鍵原料，維系著全球糧食安全；而合成甲醇則是石油化工的重要中間體，可衍生出眾多化工產品。

走進鋼鐵廠，氫氣既能在高爐中作為還原劑助力鐵礦石冶煉，又能在特種鋼材生產中充當保護氣，精確調控爐內環境。轉向玻璃制造車間，氫氣不僅能作為清潔燃料逐步替代天然氣，更在高端玻璃制造過程中發揮還原作用，賦予玻璃特殊的性能表現。

氫能源的利用途徑

（圖片來源：參考文獻[1]）

當人類步入21世紀，這個古老的工業原料正迎來重要轉變，成為能源轉型浪潮中的關鍵角色。氫能最引人注目的特質在于其優異的清潔性：不論是直接燃燒還是通過燃料電池發電，唯一的副產品只有水，其能量轉換效率也令人驚嘆。更難得的是，氫能兼具電能的靈活性和化石能源的便利性——既能以氣態或液態儲存，又能通過改造現有天然氣管道實現大規模輸送。

特別值得一提的是，氫氣為可再生能源的消納提供了理想解決方案——通過電解水制氫，可以將間歇性的風電、光伏電力轉化為穩定可儲存的化學能，有效解決可再生能源的波動性問題。這種獨特的“電力-氫氣-能源”轉化鏈條，正在重塑能源格局。

氫從何來？化石能源的“副產品困局”

在現代工業體系中，氫氣雖然用途廣泛，但其制備過程卻面臨一個關鍵挑戰：目前主流的制氫方法都會產生含雜質的“粗氫”，這為后續使用帶來了諸多不便。

歷史悠久的煤制氫技術已發展百余年。通過高溫氣化工藝，煤炭與水蒸氣反應后，得到的粗氫氣中不可避免地混有一氧化碳、二氧化碳等雜質氣體。雖然這項技術成熟穩定，但需要經過復雜的凈化處理才能獲得純凈的氫氣。

目前更經濟的制氫方案是天然氣蒸汽重整（SMR）。在700-1100攝氏度的反應條件下，甲烷與水蒸氣反應生成的氫氣同樣含有雜質。每生產1噸氫氣，就會伴隨產生大量的一氧化碳等副產物。

相比之下，電解水制氫能直接獲得高純度氫氣，不會產生一氧化碳等雜質。但受限于較高的電力成本，這種方法目前還難以大規模應用。

2024年中國氫氣生產結構

（圖片來源：《中國氫能發展報告2025》）

這些傳統制氫方法共同面臨一個關鍵挑戰：產出的粗氫都需要經過復雜的提純處理才能滿足高端應用需求。面對這一技術瓶頸，科學家們正在探索創新解決方案——開發一種“智能轉換器”，它不僅能高效提純粗氫，還能將氫氣轉化為更易儲存和運輸的形態。這個曾被視為天方夜譚的構想，如今正在實驗室中逐步實現。

中國方案：用“分子魔術”實現氫能提純

面對粗氫提純這一工藝難題，我國科學家團隊開創性地提出了全新解決方案。復旦大學與北京大學聯合科研團隊成功研制出具有特殊抗毒化能力的催化劑體系。該技術可直接處理含大量一氧化碳、二氧化碳等雜質的粗氫，通過催化轉化將其儲存于液態有機物中，實現了氫氣的便捷提純與高效儲存一體化。

這項技術的核心突破在于解決了液態有機儲氫載體（LOHCs）領域長期存在的關鍵瓶頸。所謂液態有機儲氫載體，往往是指一類含有不飽和鍵（如羰基、酯基等）的有機化合物，它們能夠通過催化加氫反應與氫氣發生加成，生成穩定的液態醇類儲氫物質。簡單來說就是用一種特殊的液體來儲存氫氣，這種液體遇到氫氣后，能通過化學反應緊緊“抱住”氫氣，變成另一種穩定的液體。

這種“化學儲氫”方式與直接儲存液態氫氣相比，既安全又高效，但一直面臨著一個棘手的難題：傳統使用的貴金屬催化劑（如鈀、鉑等）對一氧化碳等雜質極度敏感，即使濃度低至百萬分之一（ppm級），這些雜質也會牢牢占據催化劑的活性位點，導致催化劑“中毒”失效。

更令人困擾的是，雖然通過某些改性手段可以提高催化劑的抗毒化能力，但這往往會導致其加氫活性大幅下降，形成“魚與熊掌不可兼得”的技術困境。這一矛盾長期制約著液態有機儲氫技術的實際應用和發展。

粗氫分離與儲存一體化的工藝圖

（圖片來源：中國科學報）

中國科研團隊研發的氧化鋁/銅基催化劑成功突破了這一限制。該催化劑能在一氧化碳等雜質濃度超過50%的苛刻條件下，高效催化γ-丁內酯（GBL）加氫生成1，4-丁二醇（BDO），儲氫密度達4.4wt%。這就相當于1，4-丁二醇是一個特別能“裝”氫氣的容器，4.4wt%即每100克1，4-丁二醇里能“裝”進去4.4克氫氣。

更令人矚目的是，在隨后的脫氫過程中可釋放純度超過99.998%的高純氫氣，完整實現了“粗氫進-純氫出”的轉化鏈條。經過5次充放循環和370小時連續運行測試，催化劑仍保持穩定活性，展現出優異的工業化應用前景。

氧化鋁/銅催化劑催化GBL-BDO可逆儲放氫性能測試

（圖片來源：參考文獻[5]）

新型催化劑的抗毒化機制：“物理隔離+電子調控”雙重保護

那么，這種新型催化劑為何能對雜質毒化“免疫”呢？研究團隊通過系統的CO（一氧化碳）吸附實驗，深入解析了催化劑的抗毒化機制。

實驗結果顯示，與傳統貴金屬催化劑或其他負載型銅基催化劑相比，氧化鋁/銅催化劑表現出極低的CO不可逆吸附量。這一現象與催化加氫過程中觀察到的優異CO耐受性高度一致，進一步通過紅外光譜分析證實：該催化劑表面幾乎檢測不到銅-CO鍵的特征吸收峰。

這說明，新型催化劑的抗毒化機制關鍵在于其獨特的結構設計。傳統銅基催化劑中的Cu+離子（亞銅離子）位點極易與CO結合，而氧化鋁/銅催化劑通過以下創新設計解決了這一難題：首先，氧化鋁載體以物理包覆形式穩定銅顆粒，有效防止其團聚失活；更重要的是，催化劑中的銅主要以金屬態存在，這種電子狀態對CO的吸附能力顯著降低。這種“物理隔離+電子調控”的雙重保護機制，使催化劑在保持高活性的同時，獲得了優異的抗毒化性能。

這項發表于《自然·能源》的創新成果，為氫能產業描繪了令人振奮的發展前景。隨著技術不斷成熟，“廢氫變高純氫”的工業化示范項目有望在不久的將來落地。

更具革命性的是，該技術可與可再生能源深度耦合——通過風電、光伏電力電解水制取粗氫后提純，構建從“綠電”到“綠氫”的完整零碳產業鏈。展望未來，加油站或許將配備小型制氫裝置，實時將儲罐中的液態氫能載體轉化為超純氫燃料，為氫燃料電池汽車提供“即產即用”的清潔能源。

參考文獻：

[1]趙永志,蒙波,陳霖新,等.氫能源的利用現狀分析[J].化工進展,2015,34(09):3248-3255.DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.007.

[2]黃健健,陳聰,柯道瑤,等.氫能在工業領域應用現狀分析[J].廣州化工,2025,53(13):1-3+74.DOI:10.20220/j.cnki.1001-9677.2025.13.001.

[3]李桂亮,張文昌,劉家敏,等.我國“氫能產業2.0階段”發展現狀與展望[J/OL].現代化工,1-10[2025-07--30].

[4]李剛.煤制氫技術發展與應用[J].科技創新與生產力,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.

出品：科普中國

作者：劉煜超（中國科學技術大學）

監制：中國科普博覽