氢能源研究进展

一、背景介绍

北京2022年冬奥会张家口赛区，中国石油自主研发生产的绿氢（电解水制氢）点燃了太子城火炬台，这是东奥历史上第一次使用绿氢作为燃料的火炬。氢是清洁能源。尽管氢是宇宙中最丰富的元素，但它主要以水等化合物的形式存在。利用可再生能源进行水电解制氢，即绿氢，是低碳经济最有前途的能源载体。H2还可以作为间歇能源的储存介质，如太阳能、风能和潮汐能。如何高效产生H2一直是科学研究者热衷的方向。

二、文献分析

1、利用活菌高效光催化产氢

第一作者：吴丹

通讯作者：张中海、付百赫

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.08.002

发表日期：2022年9月8日

有效收集太阳能并将其转化为氢气等化石燃料，是一项巨大的挑战。对可再生、可持续、高效制氢的迫切需求推动了先进制氢技术的快速发展，而全细胞微生物制氢是最有前途的策略之一。张中海课题组报道了一种体内非金属无机半导体-微生物杂化体系，C3N4 QDs穿透到大肠杆菌内，从而能直接在细菌内光催化，实现高效催化生物质产氢。该工作揭示了细胞内无机-生物混合系统的优势，将无机材料的光收集能力与微生物的代谢能力相结合，以生产生物燃料和化合物，揭示了体内杂化体系在产氢方面的优势。并以一种可选择的更多样的方式为提升太阳能转换效率提供了一种新的方式。

2、新方法-空气中吸水制氢

第一作者：Guo Jining

通讯作者：胡国平、范晓雷、李刚

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32652-y

发表日期：2022年9月6日

利用可再生能源水制氢，是低碳经济最有前途的能源载体，氢气有望替代化石燃料。然而，可再生能源分布和淡水可用性之间的地理不匹配对其生产构成了重大挑战。胡国平等人报道了一种从空气中直接生产氢气的方法，利用太阳能或风能等可再生能源驱动，以高达574 mA cm−2的电流密度从大气中就地捕获淡水，并使其连续稳定运行12天。这种直接空气电解(DAE)模块可以在相对湿度为4%的极干燥环境下工作，克服了供水问题，并可持续地生产绿色氢气，对环境的影响小。DAE模块可以很容易地扩展，为偏远、(半)干旱和分散的地区提供氢气。

3、高选择性制备乙烷和氢气

第一作者：Zhang Wenqing

通讯作者：熊宇杰、龙冉、姚颖方

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30532-z

发表日期：2022年5月19日

甲烷的无氧化偶联反应（NOCM）是同时生成多碳和氢的重要过程。尽管以金属氧化物半导体材料为主的光催化剂在温和条件下为NOCM打开了机会，由于CH4被光催化剂中晶格氧的过度氧化，因此其选择性和持久性都不令人满意。熊宇杰等人提出了一种高活性、选择性和持久的光催化NOCM的杂原子工程策略，通过单原子配位负载的方法来调控光催化剂的价带电子结构，形成稳定的单原子和晶格氧的配位结构，从而避免了晶格氧原子直接参与光催化甲烷无氧偶联反应，提高光催化甲烷无氧偶联性能，同时降低甲烷的过度氧化。该工作为原子工程研究高性能光催化NOCM提供了新的思路。

4、完全暴露的钯簇催化剂氮杂环产氢成为可能

第一作者：董春阳、高子睿、彭觅、李银龙

通讯作者：马丁、周武、刘洪阳、王阳刚

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41929-022-00769-4

发表日期：2022年4月21日

已知负载金属种类的大小对其催化活性有深远的影响。然而，由于缺乏单原子灵敏度和统计意义显著的量化方法，金属在原子尺度上的这种结构灵敏度仍然不明确。马丁等人研究了从单原子到纳米颗粒(NPs)的钯(Pd)表面上十二氢-N-乙基咔唑脱氢反应中的催化贡献，这一反应对H2的运输和利用具有重要意义。研究表明，最佳催化剂是完全暴露的钯簇，平均Pd-Pd配位数为~ 4.4，有利于反应物的活化和产物的解吸，而钯单原子几乎不活跃。研究表明对于某些催化反应，构建完全暴露的金属簇，而不存在单原子，可以帮助最大化贵金属的反应活性和原子效率。

5、协同催化剂在高电流密度下促进醇的电氧化和产氢

第一作者：栗振华

通讯作者：段昊泓

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27806-3

发表日期：2022年1月10日

电化学醇氧化为生产有价值的化学品和促进偶联H2生产提供了一种有前途的方法。然而，在中等电势下相应的电流密度较低，这在很大程度上限制了其进一步应用。段昊泓等人构筑了一种Au/CoOOH协同催化剂，该催化剂以金（Au）作为吸附位点、CoOOH作为催化位点的协同催化剂，在高电流密度下，在大电流下实现了醇的电催化氧化耦合产氢。以苯甲醇氧化为例，苯甲醇通过σ‒π键吸附在Au/CoOOH界面上，在合适的氧化电位下氧化苯甲醇为苯甲酸，同时在阴极产生H2。该方法对于含有σ‒π键醇分子具有普适性。研究者进一步评价Au/CoOOH催化剂的性能，在2.0 V槽电压下绝对电流值高达 4.8 A，可利用间歇电压输入策略实现长时间反应，结果表明该策略具有较大的实际应用潜力。