Science：甲烷产氢新利器——“单原子”液态催化剂？

氢气是重要的化工中间体，并在取代化石能源，减少CO ₂ 排放领域具有重要前景。目前商业化产氢工艺主要依靠甲烷蒸汽重整（SMR）和水煤气变换反应两步实现。SMR工艺作为吸热反应，基建投入和能源损耗成本都比较高。另外，该工艺会产生CO ₂ ，额外增加碳排放税。

图1. SMR 系统

相对于SMR工艺，甲烷直接裂解产氢虽然仅能产生一半H ₂ ，但是其

1 ）只有一步反应；

2 ）产生固体碳可进一步回收使用，而不是作为CO ₂ 排放；

3 ）H ₂ 中残留的少量CH ₄ 基本不妨碍下一步合成氨或燃料电池应用，而SMR产氢中残留的少量CO ₂ 就会毒化催化剂。

因此，从整体能源损耗、碳排放、环保综合考虑，甲烷直接裂解产氢成本要更低，可持续性要更高。

问题在于：甲烷直接裂解反应一般在高温气相进行，催化剂很容易积碳失活；且容易产生乙烷、乙烯、丙烯和芳香物等一系列混合物，分离非常复杂，也非常昂贵。

有鉴于此，美国加州大学圣芭芭拉分校的Horia Metiu和Eric W. McFarland团队报道了一种液态的熔融合金催化剂，可用于甲烷直接裂解高效产氢！

图2. Ni-Bi 熔融催化剂催化甲烷裂解产氢

研究人员利用熔点相对较低的金属（Sn、Pb、Bi、In、Ga等）作为“溶剂”，Ni、Pt、Cu等作为活性金属，合成了一系列熔点低于1000℃的熔融合金催化剂。这些熔融催化剂被填装到1.1米鼓泡塔中，用于催化甲烷直接裂解产氢。

表1. 21 种熔融催化剂催化甲烷裂解产氢活性对比

研究发现，一种27%Ni-73%Bi合金催化剂可在1065℃条件下实现95%的甲烷转化率，而且H ₂ 中不产生CO ₂ 和其他任何杂质。7天的实验结果表明，反应产生的固体碳不溶于熔融合金，会漂浮在液体表面，很容易清理收集，回收使用。

图3. 反应活性

理论计算表明，活性金属在熔融合金中呈原子级分散，并表现出负电荷。原子所带电荷的多少和其催化活性直接相关。如果活性位点就是这些单个的原子，那么，这种催化剂可称之为“单原子”催化剂。