氫氣的化學存儲與釋放過程是發(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)需要催化劑促進才能以穩(wěn)定、高效的方式控制加氫和脫氫過程。近年來，儲氫材料的開發(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，德國萊布尼茨催化研究所Matthias Beller院士課題組全面綜述了近年來非均相材料作為氫氣化學存儲和釋放體系催化劑的科研進展。
為實際應(yīng)用提供詳細的反應(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。對目前已知化學儲氫體系的優(yōu)缺點及其與均相催化反應(yīng)的差異也進行了詳細對比。
最后，通過對非均相催化劑中活性金屬及載體的理性設(shè)計、高含氫量新型化學儲氫介質(zhì)的開發(fā)等方面存在的挑戰(zhàn)和未來的發(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存儲與釋放領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。 ?
背景介紹
與化石燃料相比，氫氣（H2）被認為是一種清潔能源載體，其在為解決過去幾十年因大量消耗煤炭、天然氣和石油而引起的環(huán)境問題提供了可持續(xù)發(fā)展的良性替代方案。氫氣可通過化學燃料電池提供電能且該過程僅產(chǎn)生水作為無污染的副產(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（如太陽能、風能）驅(qū)動的水裂解反應(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)動力的汽車實際應(yīng)用。
由于氣態(tài)氫的能量存儲密度極低（2.5 Wh L-1），發(fā)展氫氣的化學儲存與釋放技術(shù)，即所謂的“化學氫電池”，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-運輸-釋放”的橋梁。近年來，儲氫材料的開發(fā)及其在可再生能源中的應(yīng)用經(jīng)歷了快速增長。本文重點介紹了非均相催化劑在化學儲氫和釋放體系中應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀及未來前景。 ?
圖文精讀
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作為一種新型簡便的化學儲氫方法：化學儲氫技術(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，在催化劑作用下進行加氫反應(yīng)生成穩(wěn)定化合物，當需要氫氣時再通過改變反應(yīng)條件實現(xiàn)放氫的技術(shù)。其通過催化反應(yīng)來控制加氫和脫氫過程，實現(xiàn)氫氣的高效、安全存儲與釋放。
化學儲氫催化劑的開發(fā)一般經(jīng)歷的三個發(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）在可逆化學氫氣存儲和釋放方面的進展。作者側(cè)重于各個反應(yīng)體系中催化加氫-脫氫的可逆性及其反應(yīng)條件等在實際中的應(yīng)用，以期進一步指導催化劑的理性設(shè)計和高效利用，最終實現(xiàn)該技術(shù)在化學儲氫領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。
此外，作者指出在未來的研究中需要進一步解決的問題：新型化學儲氫介質(zhì)的開發(fā)（如高含氫量、低成本、不易燃、低毒、長期穩(wěn)定性、易于操作運輸、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（如多金屬復合催化劑的開發(fā)、非貴金屬的使用等）；進一步解決脫氫步驟反應(yīng)過程條件苛刻的問題；實現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行等。 ?
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審核編輯：劉清