Nano Select:如何利用甲醇在温和条件下高效催化制氢?

在以氢能为核心的新能源体系中,氢气的绿色高效制备在工业界和学术界都引起了广泛关注。甲醇制氢反应条件温和,碳足迹低,被认为是传统甲烷蒸汽重整制氢的替代策略。近年来,有甲醇参与的温和条件催化制氢策略得到了广泛研究,其中主要包括:(1)热催化甲醇重整;(2)光催化甲醇重整;(3)甲醇作为牺牲剂的光催化分解水。提升温和条件下的产氢性能是热催化和光催化领域共同面临的难题和发展趋势。然而,这三种具有相似性的制氢策略发展相对独立,所处发展阶段各不相同,缺少综合全面的分析讨论,严重制约了甲醇作为氢能载体和促进剂的催化制氢体系的健康发展。想要理清甲醇在产氢反应中的作用机理和应用可行性依然具有不小的挑战。

中国科学院理化技术研究所张铁锐团队综述了近年来关于有甲醇参与的温和条件下催化制氢策略的研究进展。相关成果以“How to make use of methanol in green catalytic hydrogen production?”为题目应邀发表在国际纳米科学领域新刊Nano Select(DOI: 10.1002/nano.202000010)上。

首先,作者针对一系列最新研究进展,系统阐述了三种产氢反应各自的优势,存在的共性与个性问题,以及可相互借鉴的提升产氢效率的方法经验。热催化甲醇重整已达到工业级性能,为光催化系统的催化剂设计提供了许多可靠的经验,近几年的研究主要集中在进一步提高催化剂的低温活性和稳定性。在光催化甲醇重整和分解水过程中,大量研究工作投入到了催化剂设计(异质结构、缺陷工程、晶面控制等)和反应形式(全天候制氢、甲醇选择性分解等)的创新上。然而,光催化制氢系统仍受其性能(光吸收率低、绝对活性和稳定性差)的限制,导致太阳光分解纯水制氢效率低,成本高昂,很难实现工业化。鉴于此,作者从反应机制和体系成本等角度深入讨论了甲醇在光催化产氢中的作用和可行性。分析认为,在众多牺牲剂中,甲醇作为牺牲剂的光催化制氢体系最有潜力满足太阳能制氢商品化的成本要求。相反,此外,文章还系统论述了制氢过程中甲醇和水的共同贡献,这一被大多数光催化报道忽略的关键问题。在反应过程中,甲醇的空穴氧化产生了一系列的促进作用,包括甲醇自身生成氢气、抑制载流子复合、生成具有给电子能力的烷氧基中间体等。因此,甲醇不论作为空穴牺牲剂还是氢载体,在制氢反应中均具有很大的优势。最后,作者对实现甲醇参与的高效制氢所面临的挑战和亟待解决的问题进行了展望。

这一系统的总结性工作,有助于读者更好地把握各种有甲醇参与的催化制氢策略的研究进展及面临的挑战,为理解甲醇在温和条件催化制氢反应中的作用机理和重要地位提供了指导。