导读：据中科院透露，中国科学院上海高等研究院工程科学团队在3D打印技术制备车载甲醇重整制氢催化剂研究中取得进展，3D打印制备车载甲醇重整制氢催化剂，有望应用于车载燃料电池领域。该研究有助于推动甲醇重整制氢技术在车载燃料电池等领域的发展，并为新型整体式催化剂的开发提供了新思路。
氢气的高额运输储存成本和低能量密度是氢动力燃料电池汽车在市场上推广应用的阻碍之一。车载甲醇重整制氢可在不使用氢气作为直接原料的情况下为燃料电池汽车供氢，为降低其燃料储存成本和运输成本提供了有效路径。传统催化剂机械强度低，在车辆高速运动过程中床层易破碎从而影响催化剂活性，需开发一种高机械强度，同时保持高催化活性的催化剂制备技术。
据此，工程科学团队提出一种使用3D打印技术制备整体式催化剂，通过调控载体组成与煅烧温度，改进催化剂空间结构等策略，开发出一种新型兼具高机械强度和高催化活性的3D打印催化剂制备方法。
3D打印催化剂。(a)：DLP-3D 打印后的基底载体，(b)：浸渍干燥结晶后的样品，(c)：煅烧后的样品，(d)(e)：样品的SEM图像和原子力显微镜表面形貌。
研究以 光固化3D打印技术制备催化剂载体，结合低场核磁共振空间测试金属离子分布，分析了 3D打印氧化铝多孔载体中机械强度、孔隙率与煅烧温度组成的关系，揭示了多孔载体中金属离子的扩散效应，同时开发了核磁成像定量测试金属离子分布技术。通过干燥结晶煅烧方法，成功在高机械强度氧化铝多孔载体上合成了铜锌片层结构活性组分层。
通过 改进氧化铝载体空间结构，从而 提高传热与传质效率降低床层压降，进而 提高甲醇重整反应催化效果。经过对反应参数的优化，单位质量催化剂氢气的时空产率达到536 mol/kgcat/h，超过目前报道的大部分同类型催化剂。同时，催化剂机械强度高，径向压溃强度达152.4 N/mm，是目前传统颗粒催化剂的4倍，可适应车载加速颠簸等情况。
研究有助于推动甲醇重整制氢技术在车载燃料电池等领域的发展，并为新型整体式催化剂的开发提供了新思路。
相关成果发表在Journal of Energy Chemistry上。研究得到中科院青年创新促进会、中科院科技网络服务计划、国家自然科学基金的资助。
与煤和天然气相比，甲醇原料丰富，更容易储存和运输，因而近年来得到迅速推广。随着甲醇制氢工艺和催化剂的不断改进，甲醇制氢的规模不断扩大，制氢成本也在不断降低，成为中小规模制氢的首选方案。
据悉，2020年，甲醇制氢占甲醇总消费的5%左右，甲醇制氢的快速发展得益于部分炼化装置的加氢需求增加以及清洁能源政策的推广。今年以来，由于能源价格普遍高位，甲醇作为燃料的经济性凸显，甲醇燃料消费量级大幅增长，目前该消费板块占比在4.6%左右，后续仍有较大提升空间。
据悉，在2030年中国“碳达峰”之后，为满足2060年“碳中和”的要求，预计每年需要减排约3亿吨二氧化碳。因此，除了装置节能改造、光伏风电、CCUS等手段之外，在能源领域用低碳能源和无碳的氢气代替传统的化石能源成为推动双碳战略的选项之一，氢能源是涉及化工、物流、燃料电池、机械装备和汽车的新兴产业。氢能源目前市场基数较小，叠加政策推广等因素，未来，氢能源的成长空间将十分巨大，国内外机构对我国氢能源的消费量预测基本在6000万吨～1.6亿吨区间。
化工细分行业将从“制氢――储运――加注/应用”三个环节中受益：制氢方面，当前阶段化工副产氢是最合适的氢气来源，长期来看低成本和低碳排放是基本的制氢要求，可再生能源电解水是制氢终极的路线，目前国内也开始布局，制氢成本的降低有利于促进氢能源产业规模的扩大；氢气储运方面当前以高压储罐和长管汽车运输为主，预计未来将形成高压和低温存储并存，多种运输方式并存的局面；加注和应用方面，加氢站投资主体众多，产业发展速度较快，“两桶油”正在凭借其制氢―储运体系以及现有的加油站资源布局加氢站。
雷竞技中国综合编辑
