近日，《Nature》杂志报道了北京航空航天大学能源与动力工程学院李想副教授、孙轶斐教授、孙也副教授与合作者在有机液储氢功能材料研究方面取得的最新进展。氢能具有绿色无污染、能量密度高等特点，被公认为是航空运输业实现“脱碳”的关键。但是轻质高效安全的机载和氢燃料存储输送系统将是氢能飞机的关键。化学氢气的储存和释放已经成为一种简单和安全的储存和运输氢的替代方式。目前贵金属基催化剂仍然在有效的（脱）氢化反应的新催化剂材料领域中占主导地位。显然，使用较便宜的3d金属催化剂是有利的，开发高活性、高选择性的非贵金属非均相催化剂是最迫切的需求。
研究团队提出了一类新型低成本钴基催化剂（Co-SAs/NPs@NC)，其中高度分散的单金属位点与钴纳米颗粒协同促进甲酸脱氢，达到商用Pd/C材料的15倍。同时，团队揭示了纳米颗粒调控单原子电子结构实现强化甲酸分子吸附和活化的机制，开辟了新型单金属原子催化剂设计的新思路。2024年9月18日，相关研究成果以“Combination of nanoparticles with single-metal sites synergistically boosts co-catalyzed formic acid dehydrogenation”为题在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志。
由于氢的物理特性，安全高效地储存和运输氢是实现氢经济的关键问题。甲酸是唯一一种在温和条件下，在适当催化剂的存在下既能储存氢气又能释放氢气的液态有机氢载体，因此不需要大量的外部能源输入。事实上，已经开发出许多用于甲酸脱氢的贵金属催化剂，然而，昂贵的成本限制其大规模生产，因此开发高活性、高选择性的非贵金属非均相催化剂是最迫切的需求。
本研究利用简单的ZIF热解法合成钴单原子和纳米颗粒复合的催化剂，在碳酸丙烯酯 (PC) 中观察到Co-SAs/NPs@NC-950的活性最佳,产气速率达到1403.8 mL/(g·h)，超过了大多数已报道的非贵金属非均相催化剂，分别是商用 5% Pd/C 和 5% Pt/C 催化剂的 15 倍和 10 倍（见图1）。
图1 Co-SAs/NPs@NC-T催化剂活性与商用催化剂对比
基于原位红外光谱和DFT理论计算等手段，揭示了钴纳米颗粒的引入增强了关键中间体 HCOO*的吸附和活化，并显著降低C-H键断裂反应控速步能垒（0.34eV），从而展现了优异的甲酸脱氢活性（见图2）。研究成果为氢能背景下的化学氢气储放材料与技术开发提供新思路。
图2 Co-SAs/NPs@NC-950 的第一性原理计算
北航李想副教授、孙轶斐教授、孙也副教授团队瞄准科研前沿方向，长期致力于新能源技术开发与污染物控制的理论与应用，并取得一系列进展。相关成果发表于《自然–通讯》（Nature Communications）、《德国应化》（Angewandte Chemie International Edition）、《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）等国际知名期刊。北航博士生石岩喆、中国农业大学罗炳程教授是论文第一作者，北航李想副教授、德国莱布尼茨催化研究所Matthias Beller院士、北航孙轶斐教授和孙也副教授为论文共同通讯作者。本研究工作获得国家重点研发计划和国家自然科学基金等支持。
附：北航作者简介
石岩喆
北京航空航天大学能源与动力工程学院博士生
博士生导师为李想副教授，研究方向为氢能与生物质利用及技术开发，在Nature Communications和Angewandte Chemie International Edition国际期刊发表SCI论文2篇，申请专利3项，曾获北航优秀研究生和优秀学术创新成果奖。
李想
北京航空航天大学能源与动力工程学院副教授，博导
国家重点研发计划青年首席科学家，清华大学工学博士。长期从事氢能与生物质利用、减污降碳新技术、环境与能源催化等方面研究。在Nat. Commun., Angew. Chem.、Environ. Sci. Technol. 等期刊发表学术论文近70篇，SCI他引3000余次。入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单，获北航青年拔尖人才，清华大学“学术新秀”等荣誉。先后主持国家/省部级等课题10余项，授权国家发明专利9件。兼任《Chinese Chemical Letters》和《环境工程学报》青年编委，《Modern Agriculture》客座编辑。
孙轶斐
北京航空航天大学能源与动力工程学院教授，博导
国家级领军人才，日本京都大学工学博士。兼任SCI期刊Waste Manag.副主编，J. Hazard. Mater.等期刊编委，担任固体回收资源/燃料国际标准化组织ISO/TC300技术委员会委员等。长期从事生物质废物能源转化利用、绿色航空燃料研发。主持了国家自然科学基金企业联合基金重点项目、区域联合基金重点项目，国家重点研发计划课题等共20余项国家级项目。获天津市技术发明一等奖、中国产学研合作创新成果奖一等奖、环境保护科学技术二等奖。在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ES&T, ACS Catal.等期刊上发表论文100余篇，授权/转化国家发明专利20余件，公开国际PCT专利2件。
孙也
北京航空航天大学能源与动力工程学院副教授，硕导
能源与动力工程学院心动科教中心党支部副书记，英国伯明翰大学访问学者。主编出版纸质教材2部、数字教材1部，副主编出版专著1部。获北京市教学基本功比赛论文赛道一等奖1项、北京航空航天大学教学基本功比赛一等奖1项、北京航空航天大学教学成果一等奖2项、二等奖2项，被评为北航“我爱我师”十佳教师、校优秀班主任等称号。获广东省科技成果二等奖1项，在Nat. Commun., Environ. Sci. Technol.等学术期刊发表SCI论文40篇。
