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中国青年学者一作,3张图,发了一篇Nature,已全职回国,加盟哈工深
仅需0.3伏电压,氢气提纯效率提升至3倍,稀氢直接浓缩为纯氢
脱氢反应是燃料加工、化学合成以及氢储存与运输领域的核心环节。然而,多数脱氢反应具有强吸热性,且反应产物氢气(H₂)会严重抑制反应的进行,导致在中等温度下单程转化率较低。传统策略是将催化剂与氢选择性膜(如钯基膜)集成,利用氢分压差驱动原位氢气移除,以促进反应平衡移动。但这一方法通常面临氢通量有限、机械稳定性差以及回收氢分压低等挑战。钯基膜虽具备优异的氢渗透性、近乎无限的氢选择性和良好的化学热稳定性,但在富氢条件下,其渗透侧表面氢原子复合为氢气分子的步骤(H-H recombination)属于二级反应,动力学较为迟缓,限制了分离效率。因此,亟需一种新型驱动模式以突破上述瓶颈。
针对上述挑战,美国麻省理工学院Yogesh Surendranath教授、曾瑞教授(已加盟哈工大(深圳),2025年入选国家级高层次青年人才项目)创新性地提出了一种电化学辅助的氢分离策略。他们将氢选择性的钯基膜作为熔融氢氧化物电解池的阳极,并耦合析氢阴极,构建了一套可在脱氢反应温度(>200°C)下运行的电化学系统。该设计利用阳极电位驱动氢原子在膜内快速渗透并氧化为质子,绕过了传统压力驱动中缓慢的氢复合步骤。研究表明,仅需约0.3 V(相对于可逆氢电极)的低阳极过电位,即可实现扩散限制的氢跨膜输运。在300°C下,该电化学方法使氢分离速率较压力驱动过程提升了4倍,并可将0.05 atm的稀氢气流(平衡气为氩气)直接富集为1 atm的纯氢。将该阳极与脱氢催化剂耦合后,在250°C下氨和甲基环己烷的转化率分别高达91%和94%。此项工作为利用电化学辅助氢移除增强特定脱氢反应提供了概念性验证。相关论文以题为“Anodic Pd membrane H2 extraction enhances thermochemical dehydrogenation”发表在最新一期《nature》上。
曾瑞教授:现为哈尔滨工业大学(深圳)前沿学部材料科学与工程学院教授,2025年入选国家级高层次青年人才项目(海外)。本科毕业于武汉大学材料物理系,后赴康奈尔大学攻读化学并获得博士学位,之后在麻省理工学院化学系从事博士后研究。主要从事能源电催化、燃料电池与氢能技术及先进电化学表征等领域的研究。目前已发表SCI论文25篇,其中第一作者或共同第一作者9篇,包括Nature、Nature Materials(2篇)、Journal of the American Chemical Society(3篇)、Science Advances等国际顶级期刊,申请专利2项,并担任Science、Nature Communications等国际学术期刊审稿人。
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