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甲酸：后石油时代的曙光

来源: X-MOL 2017-06-30 11:45:56

一个旧时代的终结，往往意味着新时代的诞生。19世纪以来，石油作为主要能源为整个人类文明的进程提供了巨大动力。但是，人类对石油的过度依赖将最终导致其消耗殆尽。那么，后石油时代，人类将何去何从？阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的黄国维团队给出了自己的答案——甲酸时代。

在黄教授描述的甲酸时代里，甲酸将成为取代石油被“油罐车”运往各个加油站的一个方案，而原来旧的加油站只需要稍作改变便可以储存和分配这种新的燃料。用户只需要和原来一样去“加油”，不同的是加入油箱的将不再是石油，而是甲酸。在这种新能源的车里，甲酸将在催化剂的作用下释放出氢气驱动汽车。同时，释放出来的二氧化碳将被吸收重新运往工厂，在催化剂的作用下，与氢气重新产生新的甲酸燃料。在整个过程中，催化剂的开发和高效使用将成为核心竞争力，这对甲酸时代的加快到来将产生重要影响（ACS Energy Lett., 2017, 2, 188−195）。该团队与北京大学的郑俊荣教授合作，于2016年7月基于自主开发的催化剂，研发了甲酸分解的自动化控制系统，对接氢气燃料电池，成功地组装了世界第一台能独立运动的甲酸氢气燃料电池原型车（400瓦）并试车成功，载重45公斤，时速8-10公里。

黄国维团队近期更开发了一种价格便宜，使用高效的非芳香五元环双亚胺钌催化剂，并在甲酸定向产氢及反应机理上取得了重要进展。结果表明，该催化剂以水为介质，能够高效、稳定地催化甲酸释放出氢气。经过测试，该催化剂在开放体系中的TOF和TON分别高达12000 h-1和350000。最令人兴奋的是，在封闭条件下，它能催化甲酸释放出接近一个普通钢瓶的高压氢气（1700 psi），这将成为驱动新能源汽车的重要动力。此外，该团队还通过高分辨质谱，核磁和同位素标记等手段，对反应的机理做了深入细致的研究，提出了两条相互竞争的催化途径。与此同时，他们采用DFT计算了不同反应路径的能量变化，计算结果与实验结果十分符合。这一成果近期发表在Inorganic Chemistry 上，文章的第一作者是KAUST的博士研究生关超和博士后张丹丹。

黄国维博士简介

黄国维（Kuo-Wei Huang）教授于1997年以李远哲奖学金在台湾大学获得本科（化学）学位，2004年以Regina Casper斯坦福奖学金在美国斯坦福（Stanford）大学获得博士学位（有机化学），2004-2007年美国布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室Goldhaber杰出研究员，2007-2009年新加坡国立大学化学系助理教授，2009年至今任教于沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）催化中心均相催化实验室及物理科学与工程学院，担任沙特基础工业公司（SABIC）讲座教授（2013-2016年）、沙特教育部特聘顾问；主要研究方向为：基于过渡金属和有机催化的计算机模拟和动力学研究、小分子活化、功能材料及其应用、氢气的产生和储存（水分解和甲酸的脱氢）、不对称催化氨基酸和药物中间体合成，国际上公开发表科研学术论文170余篇。

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：众所周知，沙特阿拉伯是一个产油大国。据报道，2010-2014年，沙特阿拉伯的平均石油收入在财政总收入中占比高达90%。但是，近几年油价的大跌和石油储量不可逆的减少，使得沙特阿拉伯政府逐渐意识到石油经济已不可持续。在后石油时代，如何找到支撑经济发展的新引擎，是沙特阿拉伯政府经济改革自救的重要举措。其中，寻找和开发新的可替代能源又是必不可少的重要一环。KAUST作为沙特阿拉伯前国王阿卜杜拉捐献的一所顶级研究型大学，在面对该挑战时当仁不让地举起了科研领军的旗帜。

Q：研究过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：在研究过程中，最大的挑战在于设计、筛选高效稳定且能在环境友好的介质中工作的催化剂。这项工作十分耗时、耗力，从配体的设计、金属催化剂的选择、各种反应条件的摸索、在模型小车上的小试、中试等，我们团队12年来前赴后继地做了大量工作。对于其中的许多核心技术，我们已经申请了国际专利保护。此外，有些工作涉及到机械设计领域，这些跨学科的研究也给我们团队造成了不小的困扰。幸运的是，我们与中国、美国、日本、瑞士等国家的一些顶级科学家合作，解决了很多棘手的问题，目前已经在新能源汽车应用上取得了十分重大的进展。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：科学是无国界的。这项研究最有可能对全球的新能源领域产生巨大影响，将使那些从事能量存储与转换、动力系统设计以及新能源汽车的企业和科研机构从中受益。在此，我们期待能够与这些优秀的企业和科研院所携手，共同迎接甲酸时代的到来。

催化

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