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水煤气变换(WGS)制氢研究中取得突破性进展
发表时间:2021-02-23    

近日从中国科学报官网获悉,作为清洁能源的典型代表,氢能备受推崇,但由于其化学性质活泼,制取、储运过程的效率和安全问题一直困扰着产业界和学术界。北京大学化学与分子工程学院教授马丁团队与大连理工大学教授石川团队、中国科学院大学教授周武团队等的联合研究取得新进展,相关成果日前发表于《自然》。

研究团队设计合成了高密度、高分散的原子级金属铂(Pt)物种和立方相碳化钼(α-MoC)组成的界面催化结构,制备出一种高效、稳定的Pt/α-MoC催化剂。该催化剂可用于催化水煤气变换(WGS)制氢反应,这也是迄今报道的催化性能最佳的WGS催化剂。

WGS反应是能源化工领域制取纯氢重要方式之一。受化学平衡限制,WGS反应在低温进行更有利,这对催化剂活性和耐久性提出了更高要求。

早在2017年,马丁团队等就在《自然》《科学》上报道了Pt/α-MoC和Au/α-MoC催化剂可在低温下实现极高产氢效率,开辟了WGS高效制氢、粗氢提纯等新途径。

“α-MoC具有优异的解离水分子(H2O)性质,室温即可实现H2O的解离并释放氢气。但是,一定温度下表面吸附解离的羟基物种如不能及时转化,在长效催化过程中就存在深度氧化α-MoC,从而导致催化剂失活的问题。因此,如何实现H2O和一氧化碳(CO)吸附活化速率的完美匹配,是进一步提高催化剂反应活性及长效稳定性的关键科学问题。”石川告诉《中国科学报》。

此次,研究团队构建了高密度、高分散的原子级Pt物种和α-MoC组成的界面催化体系,直接观察到H2O在α-MoC表面的解离路径,同时,高密度原子级Pt物种的存在有效促进了CO吸附活化,不仅增强了H2O解离产生活性氧物种的快速反应和脱附,同时开辟了基于CO直接解离步骤的低温协同制氢新路径。

“与其他WGS催化剂相比,Pt/α-MoC催化剂具有更高活性和更宽反应温度范围,可以实现低温制氢,同时研究人员还找到了稳定Pt /α-MoC催化剂的方法。”马丁说。

据了解,Pt/α-MoC催化剂突破了美国能源部2004年车载燃料电池发展规划所推算的催化活性限值,具有较好的应用前景。美国化学会以催化剂助力燃料电池汽车发展为题进行了报道,认为这是一个重要发现。

目前,相关制备Pt /α-MoC催化剂技术已申请专利。马丁表示,通过研究Pt /α-MoC催化剂机理,研究团队还揭示出该催化剂高效原因,为后续高效催化剂研制提供了新思路。

 
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