新闻资讯
NEWS CENTER
10
2026
-
09
Nature: 从“压差渗氢”到“电化学抽氢”，阳极Pd膜主动移除氢气强化热化学脱氢
作者：
背景
氨分解、液态有机储氢体脱氢以及多种化工脱氢反应是制氢、储运氢和化学合成中的重要过程，但这类反应通常具有吸热特征，并受到热力学平衡和产物H₂抑制的双重限制，在较温和温度下往往难以获得较高的单程转化率。将脱氢催化剂与Pd等氢选择性膜耦合，可以通过原位移除生成的H₂推动反应平衡向产物侧移动，但传统Pd膜本质上仍属于压差驱动的被动分离膜：H₂需要经历表面解离、Pd晶格中的H原子扩散以及渗透侧H–H重组，并依赖跨膜H₂分压差维持传输。在脱氢体系本身H₂分压较低时，不仅跨膜驱动力下降，渗透侧低H覆盖度还会使H–H重组变慢，因此往往需要真空、大压差或大量吹扫气来维持氢通量，同时得到的低压或稀释H₂还需要进一步分离和压缩。如何摆脱H₂分压差限制，在反应温度下主动将生成的氢从催化界面持续抽走，成为进一步强化膜反应器脱氢过程的关键。
创新
近日，美国麻省理工学院Yogesh Surendranath教授团队反向利用Pd既能传导H原子、又能进行电化学氢氧化的特性，将氢选择性Pd膜直接设计成熔融氢氧化物电化学池的阳极，从而把传统“压差渗氢”转变为“电势驱动抽氢”。脱氢催化剂产生的H₂首先在Pd表面解离并以H原子形式进入膜内；当Pd另一侧施加阳极偏压后，渗透到Pd|熔盐界面的H不再需要经历动力学缓慢的H–H重组，而是直接发生H → H⁺ + e⁻的电化学氧化。H⁺随即与熔融氢氧化物中的OH⁻结合形成水，水迁移至阴极后重新被还原生成纯H₂并再生OH⁻，因此OH⁻实质上充当跨电解质的质子转移媒介。由于电化学势的线性改变能够对应界面H活度的指数变化，仅需<0.3 V vs RHE的较低阳极电势便可将Pd中的H传输推至扩散控制区域。相比传统压差驱动，在300 °C下H₂分离速率提高约4倍；更重要的是，该体系能够直接将仅0.05 atm分压的H₂抽取并在另一侧获得1 atm纯H₂，实现“低分压捕获–跨膜主动输运–高分压富集”一体化。当Pd阳极进一步与脱氢催化剂耦合后，在仅250 °C下，氨和甲基环己烷的转化率分别可达到91%和94%。
意义
这项工作的核心意义在于，它改变了膜强化脱氢反应的基本驱动力：传统膜反应器通过降低产物侧H₂分压来“被动拉动”氢气跨膜，而该体系利用外加电化学势主动降低Pd膜渗透侧的H活度，从而在不依赖跨膜气相压差的情况下持续抽取反应生成的氢。这样一来，膜的作用也从单纯的“选择性分离器”升级为连接界面反应–氢传输–电化学转化的主动功能单元：一方面，持续移除H₂能够同时缓解产物抑制并推动脱氢热力学平衡，实现动力学和热力学双重促进；另一方面，抽取出的氢又能够在阴极直接转化为1 atm纯H₂，实现反应强化与氢气分离、富集的同步完成。更进一步，这一概念并不必然局限于Pd，如果能够匹配适宜的高温电解质和界面反应，石墨烯、沸石等其他H传输膜也可能被赋予类似的电化学主动驱动力。因此，这项研究提供的不只是一种更*的Pd膜反应器，而是将膜过程从“依靠化学势差的被动分离”推进到“利用电化学势主动抽取目标组分”，为氨、液态有机储氢体乃至醇和烷烃脱氢中的反应–分离耦合提供了一种新的设计范式。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/SpsW3nA5pG22FUUA1ypNig
相关新闻
