大幅提升催化劑反應活性和長效穩(wěn)定性

    2月20日，從北京大學化學與分子工程學院傳出消息，該院馬丁教授與大連理工大學石川教授、中科院山西煤化所溫曉東研究員課題組合作，研發(fā)出高效水煤氣變換制氫催化劑，大幅提升了催化劑的反應活性及長效穩(wěn)定性，在催化制氫領域取得突破性進展。

　　馬丁介紹：“我們研發(fā)的催化劑首次在超寬溫度區(qū)間實現(xiàn)高效水煤氣變換制氫，突破現(xiàn)有催化劑工作溫度區(qū)間較高且窄的局限，提升了水煤氣變換制氫催化劑的反應活性及長效穩(wěn)定性。”

　　氫能經(jīng)濟被認為是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的關鍵進程之一。從水中產(chǎn)氫、氫氣運輸和高效純化是氫能經(jīng)濟發(fā)展的核心。其中，水煤氣變換反應與甲烷水蒸氣重整反應的組合是目前工業(yè)制高純氫氣的關鍵技術之一。發(fā)展低溫、高效、穩(wěn)定的水煤氣變換制氫催化劑，對工業(yè)產(chǎn)氫過程和氫能的大規(guī)模應用具有重要意義。

　　2017年，研究團隊發(fā)現(xiàn)的立方相碳化鉬(α-MoC)負載的高分散貴金屬鉑(Pt)和金(Au)催化劑可用于低溫原位產(chǎn)氫和氫氣純化，實現(xiàn)了高純氫氣在溫和條件下的高效制備，突破了氫燃料電池在氫氣貯存手段方面的限制。然而，在反應條件下，如果α-MoC表面吸附解離的部分水分子不能及時轉(zhuǎn)化，將導致α-MoC的深度氧化、催化劑失活、催化壽命顯著縮短等問題。

　　為解決上述問題，研究團隊基于前期在金屬—金屬碳化物雙組分體系方面的研究積累，設計和構建更高效的催化劑體系，通過在α-MoC表面創(chuàng)造更多的錨定位點，構建了高密度原子級Pt催化體系，顯著提高催化活性和穩(wěn)定性。同時，研究團隊對催化劑催化機理進行了詳細研究，高覆蓋度Pt物種的存在增強了在α-MoC表面解離的水產(chǎn)生的活潑氧物種的快速反應和脫附，可循環(huán)回催化活性位點，有效防止α-MoC被深度氧化，這是催化劑獲得高穩(wěn)定性的關鍵所在。

　　該研究首次發(fā)現(xiàn)了基于CO直接解離步驟的低溫協(xié)同制氫新路徑。在具有高密度Pt物種的催化劑上，新反應突破了目前CO和水重整制氫技術溫度的極限。“我們首次在近室溫至400℃的超寬溫度區(qū)間實現(xiàn)高效水煤氣變換制氫，提升了α-MoC負載的水煤氣變換制氫催化劑的反應活性及長效穩(wěn)定性。以貴金屬鉑價格為6242美元進行經(jīng)濟衡算，Pt/α-MoC催化劑首次突破了依據(jù)美國能源部2004年車載燃料電池發(fā)展規(guī)劃所推算的催化活性限值。”馬丁表示。

　　“目前催化劑制備規(guī)模在克級，單位催化劑的制氫規(guī)模達到產(chǎn)氫速度10~20mL/s的量級。”馬丁介紹，當前離催化劑大規(guī)模工業(yè)化應用仍然存在一定距離，需要精準控制制備條件，希望能夠和企業(yè)進行合作，加快該項成果的產(chǎn)業(yè)化進程。