高宁靖性低温催化产氢赢得冲破性昌盛

“氢能财政和经济”被感触是举行社会可贯串震撼的要害进程之一。从水中产氢,以及氢气的输运和高效纯化是“氢能财政和经济”震撼的中心。其中,自来水和煤气气变换(water-gas-shift: WGS)反应与乙烷蒸气重新整建反应的笼络是姑且财产制高纯氢气的要害要害本事之一。除此之外,氢燃料干电池举措氢能的重要应用本事面临氢燃料中型小型批一氧化碳(CO)对燃料干电池毒化的艰巨。以是,震撼低温、高效、宁靖的自来水和煤气气变换制氢催化剂,对上述财产产氢过程和氢能的大范畴应用完备重要意志。

2017年,北京大学马丁熏陶课题组与中原农业科学研究院大学周武熏陶、大连理工科大学石川熏陶、中国科学院山西煤炭化学研究所温晓东接收员课题组融合,创作立方相碳化钼(α-MoC)负载的高辨别贵非金属铂(Pt)和金(Au)催化剂完备高贵的催化产氢活性,可用来低温原位产氢和氢气纯化(Nature 2017, 544,80-83;Science 2017, 357, 389-393)。该接收共青团和少先队还创作,当Pt以亚原子级辨别生存于α-MoC外表时,Pt亚原子与α-MoC之间的电荷变革无妨有效地普遍Pt的抗一氧化碳毒化天性,开辟了将粗氢、重新整建气及至CO+H2O等多种低成本氢源径直用来高效沿用性加氢反应的新路途(Nature Nanotechnology 2019, 14, 354-361)。今年年头,该接收共青团和少先队进一步震撼了将更为廉价的镍(Ni)以及镍、钴(NiCo)亚原子级辨别负载于α-MoC上用来丙醇/水重新整建产氢和硼烷氢氧化铵解产氢,从而蓄意大幅度诽谤产氢催化剂的耗费和应用成本(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 1, 309-317; J. Am. Chem. Soc.DOI: 10.1021/jacs.0c11285)。

在将来几年的接收中,该接收共青团和少先队创作:纵然α-MoC负载催化剂能举行高活性的催化产氢,然而决定温度下在α-MoC外表吸附解离的潮气子纵然不许准时变革,在长效催化过程中生存深度氧化α-MoC从而开辟催化剂失活的标题。其余,依照美利坚合众国能源部于2004年公布的车载燃料干电池震撼筹措,自来水和煤气气变换产氢催化剂的应用成本只有低于$1/kW并且催化剂重量低于0.11 kg/kW才蓄意被举行应用。还好吗进一步普遍催化剂的反应活性及长效宁靖性别变化成急切需要处治的科知识题。

克日,该接收共青团和少先队再次在《自然》(Nature)期刊颁布舆论,通讯了一种高密度、高辨别的亚原子级Pt物种(单位点Pt1物种以及亚纳米Ptn团簇)和α-MoC形成的界面催化结构用来高效催化水和CO活化。此催化剂在近室温至400˚C的超宽温度区间举行高效自来水和煤气气变换制氢,冲破了现有催化剂处世温度区间较高且窄的遏制,并且大幅度普及了α-MoC负载的WGS催化剂的反应活性及长效宁靖性。以贵非金属铂的价格为$6,242举行财政和经济衡算,所通讯的Pt/α-MoC催化剂首次冲破了依照美利坚合众国能源部2004年车载燃料干电池震撼筹措所计划的催化活性限值(如图所示)。该接收处世为氢能财政和经济的举行需要了新的本事沿用,也为接收者安置高活性、高宁靖性的非金属催化剂需要了一种新的思路。

Pt/α-MoC催化剂的结构及催化天性

应用亚原子辩别的球差校正扫描透射电子显微本事,对该Pt/α-MoC催化学工业机械制的活性中心举行了亚原子规范的体制领会,创作随着Pt负载量的缩小,α-MoC颗粒上的Pt物种暴发了由亚原子级辨别Pt物种(Pt1)向Pt亚纳米团簇(Ptn)以及Pt纳米颗粒(Ptp)衍化的过程,并且这种含有高密度Pt物种的结构无妨在催化反应中养护宁靖。贯穿近常压光电子能谱(NAP-XPS)本事以及同位素示踪瞬态能源学领会(TKA)等考查本事,该接收共青团和少先队径直察看到潮气子在α-MoC外表解离的道路,并首次创作了基于CO径直解离方法的低温共通制氢新道路。在完备高密度Pt物种的催化剂上那些新反应道路的生存辅助冲破了姑且一氧化碳和水重新整建制氢本事温度的极限;同声,亚原子级Pt物种无妨冲动CO的吸附活化,高养护度Pt物种的生存坚韧了在α-MoC外表解离的水暴发的绚烂氧物种的连忙反应和脱附,可循环回催化活性位点,有效地堤防α-MoC被深度氧化和催化剂失活,举行了高达4,300,000 molH2/molPt(250oC)的TON值,相较于该接收共青团和少先队此前通讯的Au/α-MoC催化剂截至(Science 2017, 357, 389-393)普及了一个数量级,及至可与高效的酶催化学工业机械制的催化天性相媲美,为燃料干电池原位供氢需要了新思路。

该接收工作效率以“A stable low-temperature H2-production catalyst by crowding Pt on α-MoC”为题颁布在2021年1月21日Nature上(DOI: 10.1038/s42586-020-03130-6)。美利坚合众国化学会Chem. Eng.& News以“Catalystboostsprospectsfor fuel-cell vehicles”为题举行了通讯,感触这是一个重要创作(a remarkable finding)。

北京大学保卫世界和平大会连理工科大学共通培养硕士后张晓,北京大学已毕业硕士张梦陶、邓毓晨,中原农业科学研究院大学硕士生许名权是本舆论第一作者。该接收处世赢得了国家特出青春科学基金、国家自然科学基金重心花样、高科学技术部国家重心研制安排以及北京分子科学国家接收中心等扶助。(文/北京大学)