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为解决氢能存储难题，研究人员开展生物基哌啶液态有机氢载体（LOHC）结合尺寸可控 Pd/C 催化剂的研究。发现 Pd?/C（~1.8nm）活性显著高于 Pd?/C，且 2 - 甲基哌啶脱氢效率最高，该体系还可用于氘存储，具重要应用潜力。
氢能作为未来清洁能源体系的核心载体，在工业生产和能源领域具有重要地位。然而，氢气的存储问题一直是制约其广泛应用的关键瓶颈。传统的高压气态存储、低温液态存储和固态存储方法，在安全性、效率和成本等方面都存在明显缺陷。液态有机氢载体（LOHC）通过将氢化学结合于稳定有机分子中，能实现可控条件下更安全高效的运输与释放，成为备受关注的解决方案。哌啶类化合物因具备较高的储氢容量（6.1-7.1 wt.%）、较低的脱氢焓以及循环过程中无副产物等优势，且可从生物质资源合成，符合可持续发展需求，但其脱氢过程中钯催化剂的颗粒尺寸效应及甲基取代位置对效率的影响尚不明确，亟需深入研究。
中国研究人员针对上述问题，开展了生物基哌啶 / 吡啶 LOHC 体系结合尺寸可控 Pd/C 催化剂的研究，相关成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。该研究旨在明确 Pd 物种尺寸与脱氢性能的构效关系，筛选最优反应底物，为生物基 LOHC 的实际应用奠定基础。
研究中采用的主要关键技术方法包括：通过调控钯负载量和制备工艺合成不同粒径的 Pd/C 催化剂；利用透射电子显微镜（TEM）、原位 CO 漫反射红外傅里叶变换光谱（CO-DRIFT）、电化学 CO 溶出、X 射线光电子能谱（XPS）和 X 射线吸收精细结构（XAFS）等技术对催化剂形貌和电子结构进行表征；运用密度泛函理论（DFT）计算分析甲基取代位置对脱氢能垒的影响；借助原位傅里叶变换红外（FT-IR）光谱捕捉反应中间体。
催化剂尺寸与脱氢活性的构效关系
通过系统调整 Pd 负载量和制备方案，合成了粒径可控的碳负载 Pd 催化剂。TEM 表征显示，低负载（0.25 wt.%）时 Pd 以单原子形式分散，负载量提升至 1-2 wt.% 时，Pd 物种平均粒径分别为 0.9 nm 和 1.3 nm。催化性能测试发现，单原子 Pd??/C 无催化活性，而 Pd?/C（~1.8 nm）的活性显著高于更小粒径的 Pd?/C（~0.9 nm），尽管后者具有更大的电化学活性表面积（ECSA）。这表明在催化剂设计中，并非颗粒越小活性越高，1.8 nm 左右的 Pd 纳米簇（NCs）是最优活性位点，其性能优于此前报道的体系。
甲基取代位置对脱氢效率的影响
实验与 DFT 计算表明，哌啶环上甲基取代位置显著影响脱氢能垒。与哌啶及其 3-、4 - 甲基异构体相比，2 - 甲基哌啶的脱氢效率最高。计算显示，2 - 甲基的空间位阻和电子效应优化了反应路径，降低了关键步骤的活化能，从而提升了催化活性。原位 FT-IR 光谱捕捉到反应中间体，进一步阐明了脱氢反应路径，验证了甲基取代位置的关键作用。
LOHC 体系在氘存储中的应用拓展
该研究还将生物基哌啶 LOHC 体系拓展至氘（D）存储领域，实验结果表明其对氘的存储与释放性能良好，凸显了该体系在氢同位素管理技术中的潜力，为同位素分离、核工业等领域的应用提供了新方向。
研究结论表明，生物基哌啶作为 LOHC 具有可持续性、可扩展性和环境友好性，尺寸约 1.8 nm 的 Pd 纳米簇是其脱氢反应的最优催化剂，甲基在哌啶环 2 位取代可显著提升效率。该工作不仅揭示了 Pd 催化剂颗粒尺寸与脱氢性能的构效关系，明确了最优反应底物，还为氢同位素存储提供了新思路，为构建绿色高效的氢能存储体系奠定了重要基础，推动了生物基 LOHC 从实验室向实际应用的转化。
