非均相催化剂在化学储氢和释放体系中应用的发展现状及未来前景

氢气的化学存储与释放过程是发展清洁能源的重要环节。通常这类技术中涉及的反应需要催化剂促进才能以稳定、高效的方式控制加氢和脱氢过程。近年来，储氢材料的开发及其在可再生能源体系中的应用经历了快速发展。在此背景下，德国莱布尼茨催化研究所Matthias Beller院士课题组全面综述了近年来非均相材料作为氢气化学存储和释放体系催化剂的科研进展。

为实际应用提供详细的反应参数，本文着重讨论了基于CO2-甲酸、碳酸氢盐-甲酸盐、氮杂环（如咔唑、吲哚、吡啶、喹啉、吩嗪）、芳香烃化合物（如苯、甲苯、多环芳烃）等不饱和碳基底物的可逆加氢-脱氢体系。对目前已知化学储氢体系的优缺点及其与均相催化反应的差异也进行了详细对比。

最后，通过对非均相催化剂中活性金属及载体的理性设计、高含氢量新型化学储氢介质的开发等方面存在的挑战和未来的发展方向提出了总结与展望，以期加速非均相催化材料在氢气化学存储与释放领域的工业化应用。  

背景介绍

与化石燃料相比，氢气（H2）被认为是一种清洁能源载体，其在为解决过去几十年因大量消耗煤炭、天然气和石油而引起的环境问题提供了可持续发展的良性替代方案。氢气可通过化学燃料电池提供电能且该过程仅产生水作为无污染的副产物。

然而，目前大部分氢气的制备仍基于化石资源，即所谓的“灰氢”，相比之下，“绿氢”的生产则可由绿色能源（如太阳能、风能）驱动的水裂解反应提供。另一方面，作为燃料电池技术之一，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的应用得到了显着发展，甚至已有在以燃料电池为驱动力的汽车实际应用。

由于气态氢的能量存储密度极低（2.5 Wh L-1），发展氢气的化学储存与释放技术，即所谓的“化学氢电池”，将有助于在绿色氢气制备及其在燃料电池中的应用之间架起“存储-运输-释放”的桥梁。近年来，储氢材料的开发及其在可再生能源中的应用经历了快速增长。本文重点介绍了非均相催化剂在化学储氢和释放体系中应用的发展现状及未来前景。  

图文精读

 

作为一种新型简便的化学储氢方法：化学储氢技术基于不饱和化合物，如二氧化碳，碳酸氢盐、芳杂环化合物等，在催化剂作用下进行加氢反应生成稳定化合物，当需要氢气时再通过改变反应条件实现放氢的技术。其通过催化反应来控制加氢和脱氢过程，实现氢气的高效、安全存储与释放。



化学储氢催化剂的开发一般经历的三个发展阶段：A）分别为加氢和脱氢反应开发并优化的催化体系；B）同一催化体系在加氢和脱氢两个反应中的应用；C）最终成功将一种催化剂应用于可逆加氢-脱氢过程，并将其集成到同一反应装置中。  

总结与展望

在本文中作者总结了目前基于各种碳基氢气载体（包括二氧化碳、碳酸氢盐、氮杂环和芳香烃化合物等）在可逆化学氢气存储和释放方面的进展。作者侧重于各个反应体系中催化加氢-脱氢的可逆性及其反应条件等在实际中的应用，以期进一步指导催化剂的理性设计和高效利用，最终实现该技术在化学储氢领域的工业化应用。

此外，作者指出在未来的研究中需要进一步解决的问题：新型化学储氢介质的开发（如高含氢量、低成本、不易燃、低毒、长期稳定性、易于操作运输、与现有的能源基础设施兼容等特性）；催化剂的理性设计（如多金属复合催化剂的开发、非贵金属的使用等）；进一步解决脱氢步骤反应过程条件苛刻的问题；实现反应系统的长期稳定运行等。  

 

审核编辑：刘清