清華新聞網(wǎng)10月23日電 碳中和時(shí)代，綠氫對(duì)于社會(huì)很多方面的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，由于電解水制備綠氫成本高，所得綠氫的實(shí)際產(chǎn)能還非常有限；同時(shí)由于CO2儲(chǔ)存等難題，由傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)化所得灰氫變?yōu)樗{(lán)氫的產(chǎn)能也非常有限。國(guó)際上有將甲烷在無(wú)氧條件下裂解生成“綠松石氫”與碳材料的概念。但由于甲烷裂解能耗大，催化劑易失活，因而尚未得到大規(guī)模推廣。
近日，清華大學(xué)化工系騫偉中、崔超婕團(tuán)隊(duì)提出了一種新的“翡翠綠氫”的新概念，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)不同的烴類(lèi)進(jìn)行復(fù)配，在無(wú)氧、高溫條件下催化裂解時(shí)，達(dá)到一種接近既不吸熱、也不放熱的轉(zhuǎn)化生成氫氣與碳材料的狀態(tài)。在用綠電啟動(dòng)后，這樣的裂解過(guò)程能耗極低、排放極少、過(guò)程極易放大，從而達(dá)到比“綠松石氫”更加綠色節(jié)能與低排放且易實(shí)施的效果，因而命名為“翡翠氫”。
具體過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)選擇了石化工業(yè)大量生產(chǎn)的“催化柴油”（也叫輕質(zhì)循環(huán)油）作為原料。該原料由直鏈烷烴、環(huán)烷烴、烯烴、單環(huán)芳烴及多環(huán)芳烴等組成，有的組分裂解為吸熱反應(yīng)，有的組分裂解為放熱反應(yīng)，進(jìn)行比例調(diào)配可達(dá)到不吸熱與不放熱的轉(zhuǎn)化狀態(tài)。用納米鐵基催化劑在700℃-750℃直接催化分解催化柴油，幾乎可以實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化。生成的氣體中H2與甲烷及氣態(tài)烴產(chǎn)物的選擇性之比（定義為綠色指數(shù)，Green Index，簡(jiǎn)寫(xiě)為GI）最高可達(dá)42，12小時(shí)內(nèi)平均GI值超過(guò)25。該GI值遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)中乙烷、液化氣、戊烷或其他碳源裂解所得的GI值，因而體現(xiàn)出極高的綠氫選擇性。研究同時(shí)與電解水、甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化，煤氣化、乙烷脫氫、丙烷脫氫等過(guò)程進(jìn)行了轉(zhuǎn)化溫度的苛刻度，生成單位摩爾氫氣的能耗等指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，“翡翠綠氫”技術(shù)均具有綜合性?xún)?yōu)勢(shì)?？紤]到碳排放量可以由碳納米管產(chǎn)品分擔(dān)，該技術(shù)的碳足跡遠(yuǎn)低于灰氫、藍(lán)氫和其他脫氫技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)凈零碳或負(fù)碳效應(yīng)。另外，研究還討論了該流化床反應(yīng)器與電解水的堿性電解槽的放大問(wèn)題。流化床裝置（在沒(méi)有高溫工程供熱苛刻難題限制后）具有顯著的放大優(yōu)勢(shì)。
該技術(shù)的意義還在于，提出了一種潛在的催化柴油高質(zhì)量轉(zhuǎn)化與利用的新途徑，契合了當(dāng)前新能源電動(dòng)車(chē)發(fā)展與大規(guī)?；ㄍ瓿珊?，催化柴油需求量萎縮的轉(zhuǎn)型利用需求。由于催化柴油的現(xiàn)實(shí)產(chǎn)量巨大且具有密度高和易運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，該方法制備的“翡翠氫氣”有望作為一種清潔的分布式氫源，用以填補(bǔ)電解水的綠氫充分發(fā)展之前的巨大綠氫缺口。當(dāng)然，催化柴油中存在易毒化催化劑的雜質(zhì)，還需要持續(xù)技術(shù)攻關(guān)。該研究提出的新概念還可能適用于其他復(fù)配碳源，為“翡翠綠氫”的制備推開(kāi)了一扇大門(mén)。
按照GI值從低到高排序的不同制氫路線(xiàn)
研究成果以“通過(guò)柴油催化分解高選擇性制備‘翡翠氫’”（Highly Selective Production of“Jadeite Hydrogen”from the Catalytic Decomposition of Diesel）為題，于10月20日在線(xiàn)發(fā)表于《工程》（Engineering）。
清華大學(xué)化工系2019級(jí)博士生李博凡、2021級(jí)碩士生焦瑞敬為論文共同第一作者。清華大學(xué)化工系教授騫偉中、助理研究員崔超婕為論文共同通訊作者。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)-中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司綠色化工聯(lián)合研究院的支持。
論文鏈接：
https://authors.elsevier.com/sd/article/S2095-8099(25)00599-5
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
