苄醇/苯甲醛体系：一种绿色氢能生产与储存循环的新策略

《Sustainable Energy & Fuels》：Hydrogen gas production and storage cycle with benzyl alcohol/benzaldehyde

为解决氢能储存与运输中存在的能耗高、依赖化石燃料及贵金属催化剂等问题，研究人员针对苄醇/苯甲醛体系开展可逆储氢循环研究。通过贵金属催化剂与生物发酵两种途径，实现了温和条件下的高效脱氢与加氢，构建了不依赖高压氢气与贵金属的绿色氢能生产-储存循环，为可持续氢能系统提供了新思路。

　　

随着全球对清洁能源需求的不断增长，氢能（H₂）因其高能量密度和零碳排放特性，被视为替代化石燃料的理想选择。然而，氢能的大规模应用仍面临两大核心挑战：一是目前超过95%的氢气生产依赖于化石燃料重整，过程中伴生大量二氧化碳；二是氢气的储存与运输需要高压（300-700 bar）或超低温（-253 °C）条件，存在安全隐患和高能耗问题。为破解这些难题，科学家们将目光投向“有机氢载体”——这类材料能够通过可逆的化学键合，在常温常压下以液态形式安全储存氢气。传统有机氢载体（如甲基环己烷/甲苯体系）虽然技术成熟，但往往存在脱氢能耗高（>250 °C）、原料依赖化石资源等缺陷。那么，是否存在一种既能在温和条件下释放氢气，又能从可再生资源中获取的有机氢载体呢？

近期发表于《Sustainable Energy & Fuels》的一项研究给出了创新性答案。该团队独辟蹊径，将目光投向了自然界广泛存在的初级醇类。这类化合物不仅可从生物质中获取，其脱氢焓变较小，有望在80-220°C的温和条件下释放氢气。研究人员以苄醇（benzyl alcohol，可从木质素衍生）和苯甲醛（benzaldehyde）为模型体系，成功构建了一个完整的绿色氢能生产与储存循环。

为开展这项研究，作者主要采用了以下几种关键技术方法：首先，在催化剂开发与评价方面，采用了基于铱的配合物（aqua(2,2′-bipyridine-6,6′-dionato)(penta-methylcyclopentadienyl)iridium(iii), Ir cat.）作为可逆脱氢/加氢的双功能催化剂，并在生物基溶剂蒎烷（pinane）中验证了其活性。其次，在储氢路径创新上，引入了面包酵母（baker's yeast）的酒精发酵过程，利用其内源的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和水作为氢源，实现了无需外部氢气和贵金属催化剂的直接加氢。最后，在反应机理与动力学研究层面，通过气相色谱和核磁共振氢谱（¹H NMR）对产物进行定量分析，并进行了详细的动力学分析，测定了脱氢反应的活化能。

研究结果

可逆储氢循环

研究人员首先利用Ir cat.催化剂，在180°C或220°C下于对二甲苯或生物基溶剂蒎烷中，将苄醇完全脱氢转化为苯甲醛并释放氢气。动力学分析表明，该脱氢反应的活化能仅为+39.2 kJ mol^-1，低于苄醇脱氢的标准反应焓变（+53.9 kJ mol^-1），这得益于催化剂独特的催化机制，有助于降低放氢能耗。随后，在1个大气压的氢气下，使用相同的催化剂能将苯甲醛完全加氢回苄醇，从而完成了苄醇/苯甲醛的可逆储氢循环。

绿色氢能生产与储存循环

为摆脱对高压氢气和贵金属催化剂的依赖，研究团队创新性地引入了面包酵母的酒精发酵系统。在该系统中，苯甲醛被完全氢化为苄醇，其氢源直接来自于水和酵母细胞内的NADH。通过添加葡萄糖，氧化态的NAD⁺可被再生为NADH，从而使氢源可持续。使用3克酵母可在2小时内实现苯甲醛的完全转化，其效率与贵金属催化加氢相当。这一过程在室温（25°C）下进行，且无需贵金属催化剂或外部氢气供应，实现了真正的绿色加氢。结合前述的温和脱氢过程，本研究从概念上展示了一个完整的绿色氢能生产与储存循环：利用发酵从水和生物质（葡萄糖）中储存氢至苄醇，再通过催化脱氢在需要时释放氢气。

研究结论与意义

本研究首次成功论证了以初级醇/醛（特别是苄醇/苯甲醛）作为有机氢载体的可行性。其核心创新与重要意义在于：

1. 1.
   实现了温和条件下的可逆储氢：在相对较低的温度（180-220°C）和压力（1 atm H₂）下，利用Ir cat.催化剂完成了脱氢与加氢的循环，降低了能耗。
2. 2.
   开创了生物催化储氢新路径：利用面包酵母发酵，以水和NADH为氢源，实现了无需贵金属催化剂和外部氢气的直接氢储存，简化了流程并提升了可持续性。
3. 3.
   构建了绿色氢能循环概念：将发酵储氢与催化放氢结合，从概念上验证了一个从生物质/水到氢气的清洁生产与储存闭环，为发展不依赖化石资源的氢能系统提供了新范式。
4. 4.
   指明了未来优化方向：研究指出，未来通过选用氢储存密度更高、挥发性更低的理想多元伯醇/醛（如乙二醇/乙二醛），并将其与生物质（如葡萄糖的开链形式）相结合，有望开发出性能可比肩传统有机氢载体、同时兼具温和反应条件与可再生原料优势的下一代储氢材料。

这项工作不仅为开发温和条件下的氢气释放方法提供了新思路，也为实现绿色氢能的生产与储存开辟了一条环境友好的新途径，对推动可持续能源发展具有重要意义。