氢能作为构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的关键载体，其规模化应用对于应对可再生能源电力大幅增长，优化国家氢能未来产业布局具有重要战略意义。然而，当前氢能发展仍受制于制备和储运成本高昂、基础设施薄弱及大量工业副产氢难以高效利用等瓶颈问题。
复旦大学朱义峰青年研究员/包信和院士团队开发了基于1,4-丁二醇（BDO）/γ-丁内酯（GBL）循环体系的氢能关键技术，并在液流储氢与粗氢分离领域取得重要突破。
一是首创新型醇酯储氢体系。团队率先构建基于BDO-GBL的可逆储氢新体系，开发出系列高性能金属铜基催化剂，实现了在160-170oC同一温和温度窗口内的高效加氢与脱氢循环，突破了液态有机储氢技术长期存在的贵金属依赖与循环温度高的关键瓶颈。
二是首创了液流储氢新概念和新工艺。通过对系统的智能调控，实现了单一装置中储氢与释氢模式的灵活切换，将波动的可再生能源制氢转化为稳定、高纯度氢气的连续输出，为绿电的规模化存储提供了高效的“系统缓冲器”。
三是实现了工业副产氢一步分离与储存。研制出高浓度杂质（CO、CO2等）耐受的“反相”铜基催化剂，可直接处理复杂工业副产氢，将粗氢中的H2高效高选择性地储存到BDO分子中，省去了传统的多步分离提纯，并能同步完成氢气分离与化学储存，颠覆了传统“先分离、后储存”的模式，为副产氢资源化利用、氢能储运基础设施发展提供了新平台。
该成果已完成单管中试验证，并实现超过2000小时的长期稳定运行。中试试验实现预期目标，获得了工艺运行参数、催化剂性能等关键数据。BDO-GBL储氢循环选择性高达99.9%；处理典型工业副产氢时，氢气单程转化率达94%。团队已申请发明专利12项（授权2项），形成了完整的自主知识产权；发表研究论文6篇，其中题为“A catalytic cycle that enables crude hydrogen separation, storage and transportation”的成果于Nature Energy（2025年7月10日）发表，引发国内外学界与产业界的广泛关注。
成果评价会现场
在工程化推进方面，团队积极推动实验室成果迈向中试验证。2025年9月10日至12日，中国石油和化学工业联合会组织专家组对团队的“醇酯体系（BDO-GBL）液流储氢与工业副产氢分离储存技术”开展72小时连续运行现场考核。中试装置运行稳定、性能达标，并顺利通过考核。2025年11月30日，中国石油和化学工业联合会在上海组织召开了该技术的科技成果评价会。由多位院士和行业专家组成的评价组认真听取了由研究团队和实验室中试标定现场考核专家组的相关报告，围绕技术细节、创新突破及应用前景进行了深入质询与研讨，一致认定：该成果具有原创性，属国际领先水平，并在储氢体系、催化剂开发、工艺创新及系统集成等多个层面实现原创性突破。该成果有望发展成一种具备中国特色且先进可行的氢储运体系，在氢储能、工业副产氢回收利用、传统化工流程再造中具有重要前景，将为我国构建自主可控的氢能产业体系提供关键支撑。中石化总工程师谢在库院士在评价现场指出，“该成果不仅能有效支撑波动性可再生能源的大规模存储，提升电网灵活性；更能将遍布全国的工业副产氢资源转化为高价值清洁能源，同时带动传统化工产业链的绿色升级。它从多个维度为我国构建自主可控、安全高效的氢能产业体系，提供了关键的科技支撑与可行的中国方案。”尤为重要的是，该技术路线将与我国雄厚的BDO化工产业基础无缝衔接。我国是全球最大的BDO生产国，产能充足，产业链完整。将BDO创新地用作“氢能载体”，不仅为技术的大规模推广提供了稳定、低成本的物质基础，也为面临产能调整的传统BDO行业开辟了全新高端应用市场，实现了技术升级与产业转型的协同共赢。该成果的研究工作得到了多项科技计划的大力支持，包括国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）、国家重点研发计划“催化科学”重点专项课题、上海市“科技创新行动计划”启明星项目等，为技术创新与成果转化提供了坚实保障。储氢技术概述
1.1 高压气态储氢
高压气态储氢技术由于原理简单、成熟度高，目前已成为应用最广泛的氢气工业储存技术。高压气态储氢通常是将氢气压缩到35～70 MPa之间，并存储于特制高压容器中。有研究表明，压力从0.1 MPa升高至70 MPa时，氢气密度由0.083 kg/m3增大至40 kg/m3，体积能量密度从11.8 MJ/m3提升至5 637.4 MJ/m3；当压力高于70 MPa后，随压力升高，储氢密度增加不大，当储氢压力为200 MPa时，氢气密度仅为70 kg/m3左右。高压储氢能实现氢气的快速储存和释放，但氢气热值会产生13%～18%的损失。
在多样化的应用场景中，高压储氢技术的实施涉及对压力的设置及容器类型的差异化选择。目前用于高压气态储氢的主流氢气罐有4种类型，即Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型。Ⅰ型为钢制无缝储气罐，储氢压力通常为15～30 MPa，是高压储罐中最常用且成本最低的选择。然而，Ⅰ型储罐重量较重，不适合用于以氢气为能源的车辆。Ⅱ型储氢罐采用无缝金属内胆为核心结构，外部被纤维复合材料环向缠绕，储氢压力最高可承受45～80 MPa。Ⅲ型储氢罐为铝制内胆，外部由纤维全缠绕而成，可承受的氢气压力达70～85 MPa。Ⅳ型储气罐的内胆由塑料制成，提供密封氢气的作用；外部由纤维/树脂维全缠绕以提供强度支撑。70 MPa及以上氢气储存压力主要采用Ⅳ型储氢罐。相较于Ⅰ型和Ⅱ型储氢罐，Ⅲ型和Ⅳ型储氢罐的重量更轻，但价格更贵。总体上，高压气态储氢是一种成熟储氢技术，但也存在储氢罐破裂或爆炸的风险。研究人员尝试在储罐衬里和涂层中应用先进材料以提高储罐的安全性和可靠性。
全闭孔空心玻璃微球是一种新型的高压储氢容器，在60 MPa下储氢质量可达20.5%。空心玻璃微球作为一种碱石灰硼硅酸盐体系，具有制备工艺成熟、成本低等优势。但升温速率慢、导热率低，导致氢气的释放时间长、释放速率难以控制。近年来，研究者们主要通过调控玻璃微球参数和掺杂过渡金属氧化物以改善氢气释放速率与响应时间。
1.2 低温液态储氢
低温液态储氢是将氢气冷却至沸点（-273℃）以下转化为液态后，储存在专用的低温储罐或容器中。氢气从气态转化为液态，密度由0.089 kg/m³增大到70.6 kg/m3，从而在远距离、大规模运输场景下更有优势。然而，低温液态氢需储存在具有高度隔热性能的特制容器中，以避免液氢吸热蒸发，并且与液氢直接接触的管道、通风口、阀门等必须经过专门设计和制造，以保证低温耐受性，这导致储氢成本增加。此外，氢气液化过程较为复杂且耗能较大，首先需要通过压缩和净化去除氢气中的杂质。然后，使用冷冻机或液化器，在液氮或液氦的作用下，将纯化的氢气冷却。据估算，该过程耗电量为4～10 kWh/kg。
液态氢储罐的内舱罐体通常由高强度不锈钢、铝合金或复合材料制成。目前，主流液态储氢罐为双层壁奥氏体不锈钢储罐。为了提高储罐的隔热性能，许多学者研究了储罐隔热技术，以减少与环境的热交换。有研究表明，在多层绝缘层中添加蒸气冷却屏蔽结构，理论上可以将环境对液化氢储罐的侵入热通量减少59.6%。
1.3 有机液体储氢
有机液体储氢技术是基于可逆的加氢和脱氢反应，以不饱和液态有机物（如甲苯、萘）作为加氢剂，以相应的饱和物（如甲基环己烷、十氢化萘）作为氢载体进行氢气储存的技术。加氢过程中，加氢剂（liquid organic hydrogen carriers，LOHCs）和氢气在反应器中混合并加热至特定温度，在催化剂作用下，LOHCs和氢气发生加氢反应生成饱和氢化物（Hx-LOHCs）。加氢反应是放热反应，低温和高压更有利于加氢反应的进行。脱氢过程作为加氢过程的逆反应，为吸热反应。脱氢过程中，在催化剂作用下Hx-LOHCs的C-H键断裂，从而释放出氢气。为了获得优异的加氢和脱氢性能，LOHCs应满足以下特点：①低熔点和高沸点；②较大的储氢容量；③良好的脱氢稳定性；④脱氢条件温和；⑤成本低廉且材料易得；⑥长循环寿命；⑦使用和运输过程中稳定性增强、毒性低。
有机液体储氢技术具有储氢量大、安全性高、可利用现有液体燃料运输方式（管道、船舶、卡车等）等优势，适合长距离氢气运输应用场景。然而，脱氢温度高、能耗大、效率低以及随着循环次数增加储氢性能下降等问题制约了该技术的商业化应用。因此，当前的研究重点集中在降低能耗和开发高性能加氢/脱氢催化剂上。由于储氢液体的储氢/脱氢是可逆反应，因此高活性加氢催化剂也具有良好的脱氢性能。目前，常用的储氢/脱氢催化剂包括单金属催化剂（贵金属催化剂、非贵金属催化剂）、多金属催化剂及其他催化剂（如氮化硼和金属复合物）。由于双金属和多金属催化剂在保持催化活性的同时能降低贵金属的用量，逐渐成为了研究热点。
1.4 固态储氢
固态储氢的原理是在特定温度和压力下，利用固态材料实现氢气的可逆性储存与释放。总体上，固态储氢包括2类，即基于碳材料等多孔材料的物理吸附储氢和金属氢化物、复杂氢化物等材料的化学吸收储氢，具有安全性高、储氢/脱氢条件温和、体系储氢率高、循环寿命长等优点。
物理吸附储氢是一种表面现象，氢气分子通过范德华力被吸附在储氢材料的孔隙和表面，为了获得较高的储氢量，该过程需要在低温下进行。目前常见的物理吸附储氢材料包括多孔碳材料、有机骨架化合物、微孔有机聚合物和沸石分子筛。其中，多孔碳材料比表面积大，在低温下具有良好的可逆储氢性能，但常温下储氢性能较差。有机骨架化合物比表面积大，但存在有机溶剂滞留孔隙、骨架坍塌、材料粉化等问题，从而影响储氢性能。沸石是一种新型吸附储氢材料，具有制备工艺成熟、价格低廉等优点，但沸石结构与储氢性能的关系仍是一个有争议的问题，开发结构可调控的沸石类材料是沸石储氢介质的发展趋势。总体而言，物理储氢尚处于研究阶段，在保证安全储氢的前提下，提高容量仍是一个技术难关。
化学吸收储氢的过程发生化学变化，储氢过程中，储氢材料和氢气在一定的温度和氢气压力下发生放热反应，生成金属氢化物或复杂氢化物；放氢过程中，在加热条件下，金属氢化物或复合氢化物吸收大量的能量，发生分解反应，释放氢气。储氢合金通常由强氢化物形成元素A与弱氢化物形成元素B组成，常见的储氢合金有AB5型稀土系储氢合金、AB型TiFe系储氢合金、A2B型镁基储氢合金、AB2型Zr-Mn系储氢合金等。现阶段，大多储氢合金的储氢容量质量分数小于2%，部分储氢合金，如镁基储氢合金的储氢能力接近质量分数7.5%。复杂氢化物的脱氢温度和压力适中，热力学稳定性好，导致氢气的释放速率较低。目前，金属氢化物是最具大规模应用前景的固态储氢路线，开发高储氢容量、储/脱氢条件温和的储氢合金是固态储氢技术的研究重点。
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素材来源：复旦大学化学系
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