他把实验“反着做”，回国不到一个月发表重磅论文
他把实验“反着做”，回国不到一个月发表重磅论文
9月9日，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授曾瑞以第一作者身份，在Nature发表最新研究成果。此时，距离他今年8月18日回国，才刚刚过去22天。
这项研究提出了一种电化学辅助氢移除的新策略，利用电化学方法代替传统的压力差方式，如同给氢气装上一台“电泵”，主动把氢气从混合气体中“抽出来”。结果显示，这一策略可在300℃下将氢气分离速率提升约4倍，能把1%的氢气浓缩到100%，并在250℃下让氨裂解、甲基环己烷脱氢的转化率最高分别达到约91%和94%，还实现了超100小时的稳定氢移除。
有意思的是，在开展这项研究之前，曾瑞的主线任务并不在研究脱氢策略，而是通过电化学方式加氢，把空气中的二氧化碳转化为乙烯等更有价值的化学品。
误打误撞之间，“支线”任务最终成长为“主线”成果。
▲曾瑞。
把研究思路“反着走”
时间回到2023年春节。彼时正在美国麻省理工学院化学系做博士后的曾瑞，心里却没有过年的喜悦，他已经在实验室熬了好几个通宵。
当时他接手的是一个由日本企业资助的研究项目，利用电化学钯膜反应装置，把空气中的二氧化碳转化为乙烯等更有价值的化学品。听起来似乎很简单，但实验起来却很艰难。钯膜表面的氢原子复合太快，氢原子还没来得及和二氧化碳发生反应就跑掉了，导致二氧化碳的转化效率一直上不去。他尝试了很多方法，但效果都不理想。
一天夜里，曾瑞的导师、麻省理工学院教授Yogesh Surendranath发来一条信息，事情由此迎来转机：既然加氢这条路不理想，不如把研究思路反过来，研究怎么脱氢——利用同样的装置，主动把氢气抽走，看看会发生些什么。
“当时看到这个想法，直觉上就觉得很有意思。”曾瑞回忆，查阅文献后发现，类似思路基本没有被报道过。传统脱氢的方法主要依赖压力差，利用钯膜两端的压力差，氢气被“挤”着透过膜。但这种方式受动力学限制，反应速度慢，费时间、费能量。尤其当氢气浓度很低时，想把它提纯、浓缩，就更困难。而利用电化学的方式脱氢，在领域内几乎还是空白。
于是，曾瑞决定从概念性验证做起。起初，他利用工业上较为成熟的甲烷蒸汽重整反应进行验证，天然气和水蒸气在高温反应下生成氢气和二氧化碳/一氧化碳，再利用装置原位将氢气分离出来。结果发现，脱氢效果非常好。
后来，他在一次学术交流活动中，了解到很多学者在研究氨裂解。氨裂解会产生氢气和氮气，但氢气会抑制催化剂，导致反应速率难以进一步提高。曾瑞意识到，如果能把氢气及时移除，就能有效提高反应速率；而且氨裂解体系更简单，不需要水蒸气，产物检测也更方便。
于是，他把研究思路拓展至氨裂解，以及甲基环己烷这种公认的重要氢载体。“氢气本身难以储存和运输，要么将其液化，但需要在零下两百多摄氏度储存，非常耗能；要么把氢气‘装进’氨气、甲基环己烷等化学载体中，运输到需要的地方，再释放出来。”曾瑞解释。