氫氣的化學(xué)存儲(chǔ)與釋放過(guò)程是發(fā)展清潔能源的重要環(huán)節(jié)。通常這類技術(shù)中涉及的反應(yīng)需要催化劑促進(jìn)才能以穩(wěn)定、高效的方式控制加氫和脫氫過(guò)程。近年來(lái)，儲(chǔ)氫材料的開發(fā)及其在可再生能源體系中的應(yīng)用經(jīng)歷了快速發(fā)展。在此背景下，德國(guó)萊布尼茨催化研究所Matthias Beller院士課題組全面綜述了近年來(lái)非均相材料作為氫氣化學(xué)存儲(chǔ)和釋放體系催化劑的科研進(jìn)展。
為實(shí)際應(yīng)用提供詳細(xì)的反應(yīng)參數(shù)，本文著重討論了基于CO2-甲酸、碳酸氫鹽-甲酸鹽、氮雜環(huán)（如咔唑、吲哚、吡啶、喹啉、吩嗪）、芳香烴化合物（如苯、甲苯、多環(huán)芳烴）等不飽和碳基底物的可逆加氫-脫氫體系。對(duì)目前已知化學(xué)儲(chǔ)氫體系的優(yōu)缺點(diǎn)及其與均相催化反應(yīng)的差異也進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。
最后，通過(guò)對(duì)非均相催化劑中活性金屬及載體的理性設(shè)計(jì)、高含氫量新型化學(xué)儲(chǔ)氫介質(zhì)的開發(fā)等方面存在的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向提出了總結(jié)與展望，以期加速非均相催化材料在氫氣化學(xué)存儲(chǔ)與釋放領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。 ?
背景介紹
與化石燃料相比，氫氣（H2）被認(rèn)為是一種清潔能源載體，其在為解決過(guò)去幾十年因大量消耗煤炭、天然氣和石油而引起的環(huán)境問(wèn)題提供了可持續(xù)發(fā)展的良性替代方案。氫氣可通過(guò)化學(xué)燃料電池提供電能且該過(guò)程僅產(chǎn)生水作為無(wú)污染的副產(chǎn)物。
然而，目前大部分氫氣的制備仍基于化石資源，即所謂的“灰氫”，相比之下，“綠氫”的生產(chǎn)則可由綠色能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能）驅(qū)動(dòng)的水裂解反應(yīng)提供。另一方面，作為燃料電池技術(shù)之一，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的應(yīng)用得到了顯著發(fā)展，甚至已有在以燃料電池為驅(qū)動(dòng)力的汽車實(shí)際應(yīng)用。
由于氣態(tài)氫的能量存儲(chǔ)密度極低（2.5 Wh L-1），發(fā)展氫氣的化學(xué)儲(chǔ)存與釋放技術(shù)，即所謂的“化學(xué)氫電池”，將有助于在綠色氫氣制備及其在燃料電池中的應(yīng)用之間架起“存儲(chǔ)-運(yùn)輸-釋放”的橋梁。近年來(lái)，儲(chǔ)氫材料的開發(fā)及其在可再生能源中的應(yīng)用經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)。本文重點(diǎn)介紹了非均相催化劑在化學(xué)儲(chǔ)氫和釋放體系中應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)前景。 ?
圖文精讀
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作為一種新型簡(jiǎn)便的化學(xué)儲(chǔ)氫方法：化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)基于不飽和化合物，如二氧化碳，碳酸氫鹽、芳雜環(huán)化合物等，在催化劑作用下進(jìn)行加氫反應(yīng)生成穩(wěn)定化合物，當(dāng)需要?dú)錃鈺r(shí)再通過(guò)改變反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)放氫的技術(shù)。其通過(guò)催化反應(yīng)來(lái)控制加氫和脫氫過(guò)程，實(shí)現(xiàn)氫氣的高效、安全存儲(chǔ)與釋放。
化學(xué)儲(chǔ)氫催化劑的開發(fā)一般經(jīng)歷的三個(gè)發(fā)展階段：A）分別為加氫和脫氫反應(yīng)開發(fā)并優(yōu)化的催化體系；B）同一催化體系在加氫和脫氫兩個(gè)反應(yīng)中的應(yīng)用；C）最終成功將一種催化劑應(yīng)用于可逆加氫-脫氫過(guò)程，并將其集成到同一反應(yīng)裝置中。 ?
總結(jié)與展望
在本文中作者總結(jié)了目前基于各種碳基氫氣載體（包括二氧化碳、碳酸氫鹽、氮雜環(huán)和芳香烴化合物等）在可逆化學(xué)氫氣存儲(chǔ)和釋放方面的進(jìn)展。作者側(cè)重于各個(gè)反應(yīng)體系中催化加氫-脫氫的可逆性及其反應(yīng)條件等在實(shí)際中的應(yīng)用，以期進(jìn)一步指導(dǎo)催化劑的理性設(shè)計(jì)和高效利用，最終實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在化學(xué)儲(chǔ)氫領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。
此外，作者指出在未來(lái)的研究中需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題：新型化學(xué)儲(chǔ)氫介質(zhì)的開發(fā)（如高含氫量、低成本、不易燃、低毒、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、易于操作運(yùn)輸、與現(xiàn)有的能源基礎(chǔ)設(shè)施兼容等特性）；催化劑的理性設(shè)計(jì)（如多金屬?gòu)?fù)合催化劑的開發(fā)、非貴金屬的使用等）；進(jìn)一步解決脫氫步驟反應(yīng)過(guò)程條件苛刻的問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行等。 ?
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審核編輯：劉清