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摘要氢气有望成为全球能源转型的基石，然而当前氢气的生产、储存和运输仍受到高碳排放工艺和高成本基础设施的限制。化学储氢载体，包括氨、甲烷、甲醇和液态有机储氢载体（LOHCs），通过实现高密度氢气储存、更安全的处理、更实用的运输以及按需释放氢气，有效克服了这些障碍。本综述对从各类
摘要
氢气有望成为全球能源转型的基石，然而当前氢气的生产、储存和运输仍受到高碳排放工艺和高成本基础设施的限制。化学储氢载体，包括氨、甲烷、甲醇和液态有机储氢载体（LOHCs），通过实现高密度氢气储存、更安全的处理、更实用的运输以及按需释放氢气，有效克服了这些障碍。本综述对从各类储氢载体中催化释氢的最新进展进行了批判性评估，涵盖热驱动、电驱动和光驱动三大平台。我们不仅罗列孤立的催化剂实例，而是围绕每种能量输入方式如何产生不同的键活化、中间体稳定化、中毒抑制和产物脱附需求来组织讨论。我们将机理洞见整合到载体特异性基元反应步骤、工作活性位点构型、动态重构以及能量传递途径中，并评估这些洞见如何指导催化剂设计、反应器工程和系统集成。我们特别强调将设计策略与载体反应相联系，包括氨分解中的氮原子再组合、醇类重整中的CO抑制、LOHC脱氢中的活性位点尺寸控制，以及电重整中偏压辅助的水或载体活化。展望未来，材料集成、混合催化架构、operando（原位操作）表征以及AI辅助过程控制的进步，有望加速选择性、耐久性和能效优异的载体制氢技术发展。
引言
世界面临两个紧密耦合的挑战：不断攀升的能源需求和日益恶化的环境污染。1,2,3 基于化石燃料的能源体系在满足未来需求的同时，却加剧了温室气体排放和生态退化。4,5 这些压力促使向更清洁、更可扩展的能源载体快速转型。6,7 氢气（H2）被广泛视为核心选项之一，因为它具有高热值且终端使用时仅产生水。8 然而，全球超过95%的氢气仍通过化石燃料重整制取，该过程排放大量CO2并消耗巨量淡水资源。9,10 这一上游碳足迹削弱了氢气的减碳价值，阻碍了净零目标的实现。
可再生能源驱动的电解水技术提供了一种低碳替代方案，但其大规模部署仍受到高昂前期成本、不可忽视的效率损失以及催化剂耐久性问题等制约。11 即便氢气以清洁方式生产，仍面临持续存在的物流障碍：其低体积密度和高扩散性使得储存和运输困难，12,13 相关基础设施（包括高压储罐、低温液化和专用管道）增加了成本和运行复杂度。这些限制促使人们关注化学储氢载体，如氨、甲烷、甲醇和LOHCs。14,15,16 通过将氢原子化学键合在具有较高储氢密度的稳定载体分子中，载体系统可在常温或轻微加压条件下实现更安全、便捷的氢气处理、储存和分配。当与催化释氢技术结合，特别是与可再生能源集成时，载体系统能够支撑分布式和模块化的氢气供应链。17,18
本综述将储氢载体定位为连接清洁氢气生产与实际储存、运输和终端使用释放的桥梁层。我们首先从物理化学性质、脱氢热力学和释氢挑战等方面比较四种代表性载体——氨、甲烷、甲醇和LOHCs。随后，我们考察热催化、电催化和光驱动催化等释氢策略，强调不同能量输入在键活化、中间体演变和选择性控制方面的机理差异。我们并非将催化剂设计呈现为一系列互不相关的策略集合，而是通过共同逻辑框架讨论各平台，将载体特异性瓶颈与相应的活性位点需求和设计原则联系起来。最后，我们比较了不同释氢技术在氢品质、耐久性和固有能效指标方面的表现，阐述如何将催化剂设计、反应器设计和分离设计集成，以从不同载体中获得符合规格的H2。
章节摘要
储氢载体概述
储氢载体在实现安全、可扩展且高效的氢气储存与运输方面发挥着关键作用。19 其适用性取决于氢含量（质量密度和体积密度）、储存条件、安全及可操作性、脱氢热力学以及与传统基础设施的兼容性。20 四种研究广泛的载体类别——氨（NH3）、21 甲烷（CH4）、22 甲醇（CH3OH）23 以及液态有机储氢载体（如甲基环己烷MCH）24——各自代表了不同的权衡取舍（表S1）。
氨提供了
热驱动释氢
热催化是载体分解最早且最为成熟的途径，在工业氢气生产中仍处于核心地位。甲烷蒸汽重整、氨裂解和甲醇重整等工艺之所以被广泛应用，是因为它们能提供高氢气吞吐量、可控纯度以及与连续运行的兼容性。46 在高温下，热能可轻易克服活化能垒，实现快速释氢，适用于集中式
电驱动释氢
电催化技术以电能（理想情况下为可再生电能）为驱动力，实现了从甲酸、氨、肼和醇类等载体中按需释放氢气。69 除催化剂组成外，性能还取决于施加电位、电解质种类、pH值、离子电导率和双电层结构，这些因素共同决定了中间体的稳定化和反应路径选择性。70,71 电子传输、离子迁移和局部电场之间的耦合动力学
光驱动释氢
光驱动策略为释氢提供了可持续途径，其中光催化和光热催化代表两种互补的方法。光催化可通过光子吸收产生载流子，在常温下断裂化学键，但在载体分解应用中常受限于低量子效率、快速载流子复合以及有限的光穿透深度。107,108,109,110 光热催化将光子激发与局部热能耦合
反应步骤
化学载体释氢过程通过一组反复出现的基元反应模式进行：吸附与脱氢、关键表面中间体的形成以及产物脱附。活性和选择性通常由一两个高能垒步骤以及中毒物种是否积累来决定。
甲酸（HCOOH）是机理分析的标准液相载体（图8A）。151 吸附后，HCOOH很容易以较低的能垒形成表面甲酸盐（HCOO*）和H*，152
氢品质、耐久性与能效
氢品质是催化释氢与下游利用之间的关键环节。表S2总结了主要终端应用领域对H2纯度的特定要求，从半导体制造和PEM燃料电池所需的超高纯H2，到工业加氢、冶金、氨合成、炼油操作、燃烧和加热等对纯度要求相对宽松的应用。167,168 该表还列出了主要关注的杂质，如CO、H2O、O2、CH4、N2
展望
储氢载体为氢气的大规模应用提供了极具吸引力的途径，但其实际价值最终取决于能否以高速率、高纯度、长寿命和可接受的能耗来实现氢气释放。核心挑战在于将机理理解转化为载体特异性的设计规则，而非仅仅识别更多的催化剂实例。没有任何单一催化途径在所有方面都是最优的。热催化仍是吞吐量基准，但
致谢
衷心感谢加拿大Hydrofuel公司Gregory Vezina先生以及加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC）发现基金计划对本研究提供的强大而持续的财政支持。本工作还得到了国家自然科学基金项目（批准号22225604、U24A20518和22422605）的资助，天津市科技计划重点项目（批准号23YFZCSN00010）的资助，以及前沿科学
作者贡献
S.Y.、G.Z.、S.Z.和G.O.提出研究构思并确定综述范围。S.Y.负责文献调研、数据收集和论文撰写。Z.Z.、M.Y.、F.L.、T.Z.、C.M.、S.J.、W.Q.、M.X.和P.W.参与文献分析、图表制作和章节撰写。G.O.、S.Z.和G.Z.指导了本工作。所有作者讨论了内容、提供了反馈并批准了最终稿。
生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明
在本工作准备过程中，作者使用ChatGPT进行图像创作。在使用该工具或服务后，作者对内容进行了审核和编辑，并对出版内容承担全部责任。
袁帅|赵官树|赵志勇|杨梦雪|李飞|张涛|毛承亮|吉淑芳|曲文强|谢明铮|王鹏飞|战思辉|Geoffrey Ozin
南开大学环境科学与工程学院，污染过程与环境准则教育部重点实验室/环境修复与污染控制天津市重点实验室，天津 300350，中华人民共和国
