作者:马丁等 来源:《自然》 发布时间:2021/1/30 20:35:13
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实现高效、低温催化制氢过程

 

作为清洁能源的典型代表,氢能备受推崇,但其化学性质活泼,制取、储运过程中的效率和安全问题一直困扰着产业界和研究界。

为了找到氢能制取、储运的最佳方案,北京大学化学与分子工程学院教授马丁等专家数年来不懈努力。近日,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,相关成果发表在《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,这也是迄今为止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(H2)重要方式之一。受到化学平衡限制,WGS反应在低温进行更有利,这对催化剂的活性和耐久性提出了更高的要求。

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催化剂在低温下实现了极高的产氢效率,开辟了WGS高效制氢、粗氢提纯等的新途径。

“α-MoC具有优异的解离水分子(H2O)的性质,室温即可实现H2O的解离释放氢气。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以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,直接观察到了水分子在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的吸附活化,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催化剂具有更高的活性和更宽的反应温度范围,可以实现低温制氢,同时研究人员找到了稳定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,认为这是一个重要的发现。

目前,相关制备Pt /α-MoC催化剂的技术已申请专利。马丁表示,通过研究Pt /α-MoC催化剂的机理,研究团队还揭示出该催化剂具有高效的原因,为后续高效催化剂的研制提供了新思路。(来源:中国科学报 卜叶 )

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-03130-6

 
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