在工业生产中，氢气的制取通常依赖于碳基资源，这就需要将氢气从一氧化碳、二氧化碳、烃类和氮气等杂质中分离出来。传统的净化方法复杂且能耗高的，难以连续转换和去除这些杂质的工艺。

2025年7月10日，北京大学马丁，复旦大学朱义峰在国际知名期刊Nature Energy发表题为《A catalytic cycle that enables crude hydrogen separation, storage and transportation》的研究论文，Yue Chen为论文第一作者，马丁、朱义峰为论文共同通讯作者。

在本文中，作者引入了一种可逆催化循环，通过反向Al₂O₃/Cu催化剂实现γ-丁内酯与1, 4-丁二醇的相互转化，从而从粗氢原料中高效分离和储存氢气。

该过程可在低温下将含杂超过50%的粗氢转化为纯氢。反向Al₂O₃/Cu催化剂对杂质的低亲和力和高分散性，使其能够实现以往认为难以达成的粗氢和废气氢分离。

此方法避免了使用昂贵的压力摆动吸附或膜系统，展现出在粗氢或工业尾气利用过程中的大规模应用潜力，为全球从灰氢/蓝氢向绿氢转型提供了低风险、节能的替代方案。

图1. （a）全球粗氢和废氢的年产量。（b）代表性粗氢和废氢资源的组成。柱高代表气体成分浓度的平均值，点表示浓度范围的最小值和最大值。（c）一氧化碳对催化活性影响的调查。x轴的中断是为了清晰显示低浓度一氧化碳的数据点。（d）铜催化的GBL-BDO相互转化直接从粗氢和废氢中捕获氢气。（e）传统顺序工艺用于氢气分离中的杂质提取。副产品主要包括在炼油厂和石化工业中产生的氢气，其中焦炉煤气单独列出。Texaco和Lurgi气体指的是煤炭气化的两种粗氢类型。SMR：蒸汽甲烷重整；COG：焦炉煤气；AS：氨合成；MS：甲醇合成；FT合成：费托合成；BFG：高炉煤气；LDG：林茨-多瑙转炉煤气。

图2.（a）纯氢中的GBL加氢反应。（b）BDO脱氢反应。（c）Cu/Al₂O₃-ox催化剂上通过GBL-BDO相互转化进行可逆氢气捕获/释放测试。（d，e）Cu/Al₂O₃-ox和Cu/ZnO-cp催化剂上的GBL加氢反应的CO耐受性测试。（f）用于杂质耐受性测试的粗氢和废氢组成。（g）Cu/Al₂O₃-ox催化的粗氢/废氢中的GBL加氢反应。加氢条件（a，c，d，e，g）：0.5 mL_GBL g_cat^-1 h^-1，H₂/GBL=10。a和c中的H₂压力为5 MPa，d、e和g中固定为3 MPa，通过引入N₂维持压力平衡。脱氢条件（b，c）：0.1 MPa，H₂载气40 mL min^-1，0.5 mL BDO g_cat^-1 h^-1。c–e和g中的温度为170 °C。c-e和g中的彩色阴影突出显示了反应条件的变化。

图3. （a）GBL加氢反应中CO反应级数，及铜催化剂活性测试。（b）170 ℃下一氧化碳在多种催化剂上的不可逆吸附情况。（c）170 ℃下Cu/Al₂O₃-ox和Cu/ZnO-cp的CO-IR光谱分析。（d）不同激发光能量下Cu/Al₂O₃-ox的XPS图谱。（e）活化Cu/Al₂O₃-ox的近表面元素深度剖析。（f）Cu/Al₂O₃-ox和铜标准样品的Cu L₃M₄₅M₄₅俄歇谱图。图（a）中的数值代表三次采样的平均值，实线表示用于确定CO反应级数的线性拟合。图（b）中的数据来源于等温线拟合结果，橙色柱状图表示不可逆CO吸附容量，蓝色方块表示相关吸附系数，图（e）中的虚线作为视觉辅助。

图4. （a）基于煤制气典型案例的GBL-BDO相互转化氢气分离工艺的经济敏感性分析。（b）使用GBL-BDO工艺从不同原料中分离/回收氢气的成本。ROG代表炼油厂尾气。图（b）中的蓝色柱高代表二氧化碳捕获成本的平均值，误差条表示二氧化碳捕获成本的最小值和最大值范围。

综上，作者开发了一种基于γ-丁内酯（GBL）和1, 4-丁二醇（BDO）相互转化的可逆催化循环，利用逆向Al₂O₃/Cu催化剂实现了从粗氢原料中高效分离和储存氢气，解决了传统方法中复杂的杂质去除和高能耗问题。