一個舊時代的終結(jié)，往往意味著新時代的誕生。19世紀(jì)以來，石油作為主要能源為整個人類文明的進(jìn)程提供了巨大動力。但是，人類對石油的過度依賴將最終導(dǎo)致其消耗殆盡。那么，后石油時代，人類將何去何從？阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的黃國維團(tuán)隊給出了自己的答案——甲酸時代。
在黃教授描述的甲酸時代里，甲酸將成為取代石油被“油罐車”運(yùn)往各個加油站的一個方案，而原來舊的加油站只需要稍作改變便可以儲存和分配這種新的燃料。用戶只需要和原來一樣去“加油”，不同的是加入油箱的將不再是石油，而是甲酸。在這種新能源的車?yán)铮姿釋⒃诖呋瘎┑淖饔孟箩尫懦鰵錃怛?qū)動汽車。同時，釋放出來的二氧化碳將被吸收重新運(yùn)往工廠，在催化劑的作用下，與氫氣重新產(chǎn)生新的甲酸燃料。在整個過程中，催化劑的開發(fā)和高效使用將成為核心競爭力，這對甲酸時代的加快到來將產(chǎn)生重要影響（ACS Energy Lett., 2017, 2, 188?195）。該團(tuán)隊與北京大學(xué)的鄭俊榮教授合作，于2016年7月基于自主開發(fā)的催化劑，研發(fā)了甲酸分解的自動化控制系統(tǒng)，對接氫氣燃料電池，成功地組裝了世界第一臺能獨(dú)立運(yùn)動的甲酸氫氣燃料電池原型車（400瓦）并試車成功，載重45公斤，時速8-10公里。
黃國維團(tuán)隊近期更開發(fā)了一種價格便宜，使用高效的非芳香五元環(huán)雙亞胺釕催化劑，并在甲酸定向產(chǎn)氫及反應(yīng)機(jī)理上取得了重要進(jìn)展。結(jié)果表明，該催化劑以水為介質(zhì)，能夠高效、穩(wěn)定地催化甲酸釋放出氫氣。經(jīng)過測試，該催化劑在開放體系中的TOF和TON分別高達(dá)12000 h-1和350000。最令人興奮的是，在封閉條件下，它能催化甲酸釋放出接近一個普通鋼瓶的高壓氫氣（1700 psi），這將成為驅(qū)動新能源汽車的重要動力。此外，該團(tuán)隊還通過高分辨質(zhì)譜，核磁和同位素標(biāo)記等手段，對反應(yīng)的機(jī)理做了深入細(xì)致的研究，提出了兩條相互競爭的催化途徑。與此同時，他們采用DFT計算了不同反應(yīng)路徑的能量變化，計算結(jié)果與實驗結(jié)果十分符合。這一成果近期發(fā)表在Inorganic Chemistry 上，文章的第一作者是KAUST的博士研究生關(guān)超和博士后張丹丹。
黃國維博士簡介
黃國維（Kuo-Wei Huang）教授于1997年以李遠(yuǎn)哲獎學(xué)金在臺灣大學(xué)獲得本科（化學(xué)）學(xué)位，2004年以Regina Casper斯坦福獎學(xué)金在美國斯坦福（Stanford）大學(xué)獲得博士學(xué)位（有機(jī)化學(xué)），2004-2007年美國布魯克海文（Brookhaven）國家實驗室Goldhaber杰出研究員，2007-2009年新加坡國立大學(xué)化學(xué)系助理教授，2009年至今任教于沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology）催化中心均相催化實驗室及物理科學(xué)與工程學(xué)院，擔(dān)任沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司（SABIC）講座教授（2013-2016年）、沙特教育部特聘顧問；主要研究方向為：基于過渡金屬和有機(jī)催化的計算機(jī)模擬和動力學(xué)研究、小分子活化、功能材料及其應(yīng)用、氫氣的產(chǎn)生和儲存（水分解和甲酸的脫氫）、不對稱催化氨基酸和藥物中間體合成，國際上公開發(fā)表科研學(xué)術(shù)論文170余篇。
科研思路分析
Q：這項研究的最初目的是什么？或者說想法是怎么產(chǎn)生的？
A：眾所周知，沙特阿拉伯是一個產(chǎn)油大國。據(jù)報道，2010-2014年，沙特阿拉伯的平均石油收入在財政總收入中占比高達(dá)90%。但是，近幾年油價的大跌和石油儲量不可逆的減少，使得沙特阿拉伯政府逐漸意識到石油經(jīng)濟(jì)已不可持續(xù)。在后石油時代，如何找到支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，是沙特阿拉伯政府經(jīng)濟(jì)改革自救的重要舉措。其中，尋找和開發(fā)新的可替代能源又是必不可少的重要一環(huán)。KAUST作為沙特阿拉伯前國王阿卜杜拉捐獻(xiàn)的一所頂級研究型大學(xué)，在面對該挑戰(zhàn)時當(dāng)仁不讓地舉起了科研領(lǐng)軍的旗幟。
Q：研究過程中遇到的最大挑戰(zhàn)在哪里？
A：在研究過程中，最大的挑戰(zhàn)在于設(shè)計、篩選高效穩(wěn)定且能在環(huán)境友好的介質(zhì)中工作的催化劑。這項工作十分耗時、耗力，從配體的設(shè)計、金屬催化劑的選擇、各種反應(yīng)條件的摸索、在模型小車上的小試、中試等，我們團(tuán)隊12年來前赴后繼地做了大量工作。對于其中的許多核心技術(shù)，我們已經(jīng)申請了國際專利保護(hù)。此外，有些工作涉及到機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，這些跨學(xué)科的研究也給我們團(tuán)隊造成了不小的困擾。幸運(yùn)的是，我們與中國、美國、日本、瑞士等國家的一些頂級科學(xué)家合作，解決了很多棘手的問題，目前已經(jīng)在新能源汽車應(yīng)用上取得了十分重大的進(jìn)展。
Q：本項研究成果最有可能的重要應(yīng)用有哪些？哪些領(lǐng)域的企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)最有可能從本項成果中獲得幫助？
A：科學(xué)是無國界的。這項研究最有可能對全球的新能源領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響，將使那些從事能量存儲與轉(zhuǎn)換、動力系統(tǒng)設(shè)計以及新能源汽車的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)從中受益。在此，我們期待能夠與這些優(yōu)秀的企業(yè)和科研院所攜手，共同迎接甲酸時代的到來。
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