当氢能汽车加一次氢就能跑600公里，你是否想过背后的“清洁密码”？全球92%的氢气产自化石燃料重整，但过程中产生的一氧化碳（CO）就像“隐形杀手”，会毒化燃料电池催化剂。传统低温水煤气变换反应（LT-WGS）催化剂虽能去除CO，却像“慢吞吞的老黄牛”——低温活性差、高温易“罢工”，还依赖贵金属铂、金。近日，大连理工大学张霄团队在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》发表综述，系统揭秘LT-WGS催化剂的“进化之路”：从金属氧化物到单原子“精准狙击”，再到太阳能驱动新工艺，让制氢效率提升千倍，为“双碳”目标下的清洁能源生产按下“加速键”。

传统制氢的“卡脖子”难题：CO是道绕不过的坎

“就像泡茶要滤掉茶渣，制氢也得‘筛’掉CO。”论文通讯作者张霄教授解释，燃料电池对CO的耐受度极低，哪怕百万分之一的浓度都会导致催化剂中毒失效。传统LT-WGS催化剂以铜锌铝为主，但它有个致命缺点：温度低于200℃时反应慢如蜗牛，高于300℃又会因铜颗粒烧结失去活性。更麻烦的是，贵金属催化剂（如铂、金）虽活性高，但成本堪比“黄金镶边”，难以大规模应用。

数据显示，我国每年因CO去除不完全，导致燃料电池效率损失约15%。如何让催化剂在低温下“干劲十足”，同时甩掉贵金属“包袱”，成为科学家们的“必答题”。

催化剂“变形记”：从“土豪金”到“单原子精准狙击”

新研究揭示，催化剂的“升级密码”藏在原子级设计里。团队总结了三类突破性催化剂：

• “合金战队”Pt/CeO₂：通过稀土元素铽掺杂和铁铂合金化，让铂原子与载体氧化铈“手拉手”形成强相互作用，甲酸中间体转化速率提升3倍。在250℃时，氢气生成速率达传统铜基催化剂的10倍，就像给催化剂装了“加速齿轮”。
• “单原子狙击手”Ru₁/FeOx：仅0.18%的钌原子负载量，却能通过金属-载体强相互作用“锁定”反应位点，氢气选择性接近100%，还能“秒杀”甲烷化副反应。这相当于用“一发子弹击中一个目标”，原子利用率提到极致。
• “非金属黑马”Au/α-MoC：用碳化钼替代传统氧化物载体，金原子在其表面形成“电子云漩涡”，直接“拽”出水分子中的氢氧键。在200℃下活性达207.69 μmol H₂·gcat⁻¹·s⁻¹，较传统催化剂提升两个数量级，相当于“用自行车的能耗跑出高铁速度”。

“最惊艳的是单原子催化剂，”论文第一作者李骏博士举例，Ir₁/α-MoC单原子催化剂在200℃下连续工作500小时活性不衰减，像“不知疲倦的微型工厂”。

阳光+电，给反应“加buff”：能耗降40%的新玩法

光有好催化剂还不够，团队还盯上了可再生能源。传统WGS反应需高温加热，能耗占制氢总成本的30%。新工艺让反应“插上绿电翅膀”：

• 电催化WGS：在电解池里，CO在阳极被氧化成CO₂，水在阴极被还原成氢气，常温常压下纯度达99.99%，能耗较电解水制氢降低40%。就像“边净化边发电”，一举两得。
• 光催化WGS：CuOx/Al₂O₃催化剂利用阳光中的可见光激活水分子，CO转化率提升12%。实验显示，模拟太阳光下能量转换效率达1.1%，相当于“用阳光给氢气‘充电’”。

这些技术不仅降低碳排放，还能消纳风电、光伏的波动电能，让“绿氢”生产更稳定。

离“平价氢”还有多远？成本与稳定性是最后关卡

尽管进展显著，催化剂“从实验室到工厂”仍需跨越两道坎：单原子催化剂的规模化制备成本高，目前每克成本超千元；光/电催化系统易受环境影响，比如阴雨天光催化效率会“跳水”。

“下一步要主攻非贵金属催化剂，”张霄团队透露，正在研发铁镍双原子催化剂，目标是成本降至现有贵金属催化剂的1/10。同时，他们计划将LT-WGS与光伏电站耦合，在西北荒漠地区建设“阳光制氢示范工程”。

来源: 化学工程前沿FCSE