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第1477期(总第1477期) 2018年4月5日   本期四版  上一期  下一期  更多期次  
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“ 解放氢气 ”

——马丁团队实现氢气的低温制备和存储



作者:■ 校报记者 高乔 张守玉


马丁教授与实验室学生合影 马丁教授与实验室学生合影


【编者】 “中国科学十大进展”由科技部基础研究司、科技部高技术研究发展中心(基础研究管理中心)等部门组织开展。截至2018年2月已举办13届。北京大学化学与分子工程学院马丁研究员团队与中科院山西煤化所和大连理工大学合作完成的“实现氢气的低温制备和存储”、分子医学研究所和信息科学技术学院等单位联合组成的程和平院士研究组的“研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统”、药学院周德敏教授和张礼和院士研究组的“将病毒直接转化为活疫苗及治疗性药物”三项研究成果入选“2017年中国科学十大进展”。
2018年2月27日,2017年中国科学十大进展评选结果发布,北京大学共有3个项目入选,化学与分子工程学院马丁研究员团队与中科院山西煤化所和大连理工大学合作完成的“实现氢气的低温制备和存储”项目正是其一。马丁研究员团队通过将新型催化剂用于甲醇的液相重整,实现了水和甲醇低温液相重整反应原位产氢,为氢能利用提供可行途径。
氢能的开发有哪些优势和限制?如何实现氢气低成本、高效率的运输和储存?新型催化剂的研制意味着怎样的前景?化学与分子工程学院马丁教授和他的团队用丰硕的科研成果讲述“解放”氢气的前因后果。
氢能:难流通的能源货币
有“能源货币”之称的氢能,是一种公认的清洁能源,被誉为下一代二次清洁能源。
与传统的化石能源相比,氢能燃烧热值高,燃烧同等质量的氢产生的热量约为汽油的3倍;氢能作为燃料电池,化学能转化为电能的转化率高;氢气燃烧的产物是水,是世界上最清洁的能源。
在氢能开发的过程中,氢气如何生产、输运、应用是氢能研究运用的三个主要关注点。如今,氢气的生产和应用都有相对成熟的技术支持,在生产方面,利用核能、风能电解水产生氢气已可以实现;在应用方面,氢燃料电池已具备应用到汽车、通信基站和家庭分布式燃料电池网络等的条件。
“现在前端生产和后端应用都有可能了,那研究最重要的关注点就是氢气的输运。”马丁强调说,氢气的高效制备以及安全存储和运输,是目前阻碍氢能源大规模应用的瓶颈。
氢气密度小,体积大,化学性质活泼;在运输的过程中,存在运输量小、成本高,易泄露、易燃易爆,安全性不容乐观等问题。如果用氢气运输车运输氢气,一公斤氢气成本大约是五到十元,运输成本就达到二三十元,高额的运输成本直接影响了氢能的跨区域调配和广泛运用,让氢能这一高效清洁的“能源货币”在“流通”环节屡屡受阻。
马丁团队就是集中围绕氢能源相关的催化过程,针对我国社会能源和资源利用过程中的氢气制备输运,以及高值碳基化学品合成等,聚焦这些过程中的C-H键、O-H键、C-O键等化学键的活化和重组等具有挑战性的科学前沿问题,通过对催化剂和催化反应过程的创新,结合原位表征手段来解决能源转化过程中的重要科学问题。
催化剂:穿越能垒的隧道
“我们的研究思路是将氢气储存于液体燃料中,通过催化反应原位释放氢气供应动力系统使用。”马丁团队中参与“甲醇-水液相重整产氢”课题的化学与分子工程学院博士后林丽利说道。
甲醇单位质量储氢量高,价格低廉,常温下为液体,可以实现以液态的形式安全运输,并可以在现有的加油站等基础设备上直接使用,是非常具有竞争力的储氢液体燃料。将氢气转化为甲醇进行储存和运输,之后通过催化反应让甲醇在温和条件下释放氢气,进行氢气的进一步应用,这个“金蝉脱壳”的方法为解决氢气运输难的问题提供可行的方案。
方案实施的关键是低温高效甲醇-水液相重整反应催化剂的制备合成。
马丁团队开发的Pt/α-MoC催化剂可用于甲醇的液相重整。催化剂利用面心立方结构的alpha相碳化钼(α-MoC)和铂原子(Pt)的强相互作用实现了Pt在载体表面的原子级分散,在单位面积上将可利用的活性位点提高到了理论上限。在较低温度(150-190摄氏度)下,Pt/α-MoC催化剂表现出很高的产氢活性,可达每摩尔铂每小时产氢18046摩尔,相较于传统Pt基催化剂的活性提高了两个数量级,释放出的氢气占重比可达18.8%。而高产氢活性的关键在于α-MoC突出的解离水的能力以及铂和α-MoC协同活化并重整甲醇的能力。
换言之,在Pt/α-MoC催化剂的作用下,碳化钼负责活化水,铂原子负责活化甲醇,两者在两个界面来进行重整,在释放出甲醇中存储的氢气的同时也活化等摩尔的水而释放出额外的氢气。这种反应装置简单、耗能低,容易和车载或固定聚合物电解质膜燃料电池整合,为氢能的存储、运输和应用提供高效的催化剂。
“催化剂就像隧道,能够降低反应过程中的’能垒’,使反应尽快到达目的地——释放氢气。”林丽利解释道。
产业化:能源的未来
“氢能会成为能源的未来之一。怎么样能把水和甲烷里的氢拿出来,这种研究就比较厉害了。”自2011年开始先进催化课题的马丁说道,研究氢气的生产和输运一直是自己的研究兴趣,也是自己未来的研究方向。
2017年4月6日,《自然》(Nature)杂志发表了马丁团队“Pt/α-MoC催化水和甲醇低温制氢”的研究成果。2017年7月28日,《科学》(Science)发表了马丁团队在水煤气变换产氢过程(CO+H2O=CO2+H2)中突破了低温条件下高反应转化率与高反应速率不能兼得的难题。
与此同时,马丁团队的研究进展被多家科学媒体报道并高度评价,美国化学会《化学与工程新闻》(C&E News)杂志和英国皇家化学会《化学世界》(Chemistry World)杂志分别以《氢能源:制备氢燃料新过程》和《新型催化剂点亮氢能汽车未来》为题进行了亮点报道,认为“随着此高活性催化体系的成功,把氢气存储于甲醇并在需要时重整释放的概念可能得到实际应用,这是氢能储存和输运体系的一个重大突破”。马丁团队近七年的研究努力结出硕果。
“实验室规定每周工作6天,都是朝九晚九,基本上每天工作12个小时。”林丽利说,科研没有捷径,实验中看似3个月就能搞定的数据量,往往需要耗费一两年甚至更多的时间。在马丁团队不到五人的课题组中,从一开始寻找新的催化材料,到之后的实验研究,“甲醇-水液相重整产氢”课题始终保持着稳健的进展步伐。执着与运气,努力与创意都是马丁团队研究成功路上不可或缺的基石。
“就像原生家庭对孩子性格的影响一样,马丁教授对我们先进催化课题组整个氛围的形成至关重要。”林丽利说,自己在低年级的时候,就亲眼目睹导师和师兄在学术上毫无芥蒂地争论,实验室这种平等自由的交流环境让同学们都敢于和导师讨论学术问题,乐于互相交流实验经验、数据分析方法和实验设计思路。
在氢气的低温制备和存储的整个研究过程中,马丁团队本着为原创性研究保密的心态,没有申请任何一项国家科研基金支持。课题研究成果发表后,马丁团队的研究成果成为备受国家政府部门、企业基金青睐的资助项目。然而,研究成果距离产业化的路途还有多远,马丁也不敢断言。如何推动在产业化道路上的一步步研发,如何找到合适的合作伙伴,如何处理工业化带来的各项事务,都在马丁未来的考虑范围内。
“解放”了甲醇中的氢气,马丁如今又将目光投向甲烷中的氢。在产业化方面,推动“Pt/α-MoC催化水和甲醇低温制氢”研究成果与工业界的合作和进一步研究,在基础研究方面,探究如何利用甲烷分子制备氢气,是马丁团队未来的研究计划。
“做科研工作一定要有独立工作的能力,我希望学生能够特别有闯劲、有创意,研究创造出更多新的东西来。”马丁说。
面向他们坚持如一的“能源未来”,马丁团队一齐进发。

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