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“氫能經(jīng)濟”被認(rèn)為是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵進(jìn)程之一。從水中產(chǎn)氫，以及氫氣的輸運和高效純化是“氫能經(jīng)濟”發(fā)展的核心。其中，水煤氣變換(water-gas-shift: WGS)反應(yīng)與甲烷水蒸氣重整反應(yīng)的組合是目前工業(yè)制高純氫氣的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。除此之外，氫燃料電池作為氫能的重要應(yīng)用技術(shù)面臨氫燃料中少量一氧化碳(CO)對燃料電池毒化的難題。因此，發(fā)展低溫、高效、穩(wěn)定的水煤氣變換制氫催化劑，對上述工業(yè)產(chǎn)氫過程和氫能的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。

2017年，我?；W(xué)院石川教授團隊與北京大學(xué)馬丁教授團隊、中國科學(xué)院大學(xué)周武教授團隊、中科院山西煤化所溫曉東研究員團隊合作，發(fā)現(xiàn)立方相碳化鉬（α-MoC）負(fù)載的高分散貴金屬鉑（Pt）和金（Au）催化劑具有優(yōu)異的催化產(chǎn)氫活性，可用于低溫原位產(chǎn)氫和氫氣純化（Nature?2017, 544, 80-83；Science?2017, 357, 389-393）。

根據(jù)美國能源部于2004年發(fā)布的車載燃料電池發(fā)展規(guī)劃，水煤氣變換產(chǎn)氫催化劑的使用成本只有低于$1/kW并且催化劑重量低于0.11 kg/kW才有望被推廣使用。如何進(jìn)一步提高催化劑的反應(yīng)活性及長效穩(wěn)定性成為迫切需要解決的科學(xué)問題。

近日，該研究團隊再次在《自然(Nature)》雜志發(fā)表論文，報道了一種高密度、原子級分散的Pt物種（單位點Pt₁物種以及亞納米Pt_n團簇）和α-MoC組成的界面催化結(jié)構(gòu)用于高效催化H₂O和CO活化。此催化劑首次在近室溫至400?C的超寬溫度區(qū)間實現(xiàn)高效水煤氣變換制氫，突破了現(xiàn)有催化劑工作溫度區(qū)間較高且窄的局限，并且大幅度提升了α-MoC負(fù)載的WGS催化劑的反應(yīng)活性及長效穩(wěn)定性。以貴金屬鉑的價格為$6,242進(jìn)行經(jīng)濟衡算，所報道的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（如圖1所示）。該研究工作為氫能經(jīng)濟的推廣提供了新的技術(shù)選擇，也為研究者設(shè)計高活性、高穩(wěn)定性的金屬催化劑提供了一種新的思路。

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圖1. Pt/α-MoC催化劑的結(jié)構(gòu)及催化性能。

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利用原子分辨的球差校正掃描透射電子顯微技術(shù)，對該Pt/α-MoC催化體系的活性中心進(jìn)行了原子尺度的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)隨著Pt負(fù)載量的增加，α-MoC顆粒上的Pt物種發(fā)生了由原子級分散Pt物種(Pt₁)向Pt亞納米團簇(Pt_n)以及Pt納米顆粒(Pt_p)演變的過程，并且這種含有高密度Pt物種的結(jié)構(gòu)能夠在催化反應(yīng)中保持穩(wěn)定。結(jié)合近常壓光電子能譜(NAP-XPS)技術(shù)以及同位素示蹤瞬態(tài)動力學(xué)分析（TKA）等實驗手段，該研究團隊直接觀察到水分子在α-MoC表面解離的路徑，并首次發(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物種的催化劑上這些新反應(yīng)路徑的存在幫助突破了目前一氧化碳和水重整制氫技術(shù)溫度的極限；同時，原子級Pt物種可以促進(jìn)CO的吸附活化，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(yīng)和脫附，可循環(huán)回催化活性位點，有效地防止α-MoC被深度氧化和催化劑失活，實現(xiàn)了高達(dá)4,300,000 mol_H2/mol_Pt（250 ^。C）的TON值。

美國化學(xué)會Chem. Eng.& News以“Catalyst boosts prospects for fuel-cell vehicles”為題進(jìn)行了報道，認(rèn)為這是一個了不起的發(fā)現(xiàn)（a remarkable finding）。

該研究成果以“A stable low-temperature H₂-production catalyst by crowding Pt on α-MoC”為題發(fā)表在2021年1月21日Nature上（DOI: 10.1038/s42586-020-03130-6）。大連理工大學(xué)張曉博士為論文的第一作者。該研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金重點項目、面上項目，科技部國家重點研發(fā)計劃等資助。

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文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03130-6