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。
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
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/COx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COx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COx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COx吸附特性，可在不牺牲加氢活性的条件下，大幅提高COx毒物的耐受能力。在170 ℃、COx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COx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COx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COx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。论文通讯作者为复旦大学化学系、未来能源高等研究院的朱义峰青年研究员和北京大学化学与分子工程学院马丁教授。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-025-01806-9
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