上海光源用户在高效产氢研究中取得重要突破

内容来源：中国科学院重大科技基础设施共享服务平台

近日，北京大学马丁教授课题组与合作者报道了一种高密度、高分散的原子级Pt物种（单位点Pt1物种以及亚纳米Ptn团簇）和α-MoC组成的界面催化结构用于高效催化水和CO活化。相关成果以“A stable low-temperature H2-production catalyst by crowding Pt on α-MoC”为题发表在2021年1月21日Nature上（Nature, 2021, 589, 396–401）。美国化学会Chem. Eng.& News以“Catalyst boosts prospects for fuel-cell vehicles”为题进行了报道，认为这是一个了不起的发现。 

“氢能经济”被认为是实现社会可持续发展的关键进程之一。从水中产氢，以及氢气的输运和高效纯化是“氢能经济”发展的核心。其中，水煤气变换(water-gas-shift: WGS)反应与甲烷水蒸气重整反应的组合是目前工业制高纯氢气的主要关键技术之一。除此之外，氢燃料电池作为氢能的重要应用技术面临氢燃料中少量一氧化碳(CO)对燃料电池毒化的难题。因此，发展低温、高效、稳定的水煤气变换制氢催化剂，对上述工业产氢过程和氢能的大规模应用具有重要意义。该研究团队多年来致力于立方相碳化钼（α-MoC）负载高分散贵金属催化剂的催化产氢活性，也长期得到上海光源的资助，取得了一系列优异成果。此次报道的催化剂在近室温至400°C的超宽温度区间实现高效水煤气变换制氢，突破了现有催化剂工作温度区间较高且窄的局限，并且大幅度提升了α-MoC负载的WGS催化剂的反应活性及长效稳定性。研究中XAFS、XRD实验分别在上海光源BL14W1、BL14B1线站完成：XAFS分析发现载量不高于2wt%时，Pt与α-MoC基底之间有更强烈的金属-载体相互作用，导致Pt与α-MoC之间的电荷转移使Pt带上部分正电荷，解释了该体系如何有效地防止α-MoC被深度氧化和催化剂失活；XRD表征显示，使用新的制备工艺，即使Pt负载量高达5wt％， Pt物种也均高度分散在α-MoC上，验证了Pt的高分散状态。 

最终以贵金属铂的价格为$6,242进行经济衡算，所报道的Pt/α-MoC催化剂首次突破了依据美国能源部2004年车载燃料电池发展规划所推算的催化活性限值（如图1所示）。该研究工作为氢能经济的推广提供了新的技术选择，也为研究者设计高活性、高稳定性的金属催化剂提供了一种新的思路。 

图1. Pt/α-MoC催化剂的结构及催化性能。 图2（左）不同Pt载量样品的近边吸收谱；（右）2 wt% (Pt1–Ptn)/α-MoC和0.02 wt% Pt1/α-MoC催化剂在523K下WGS反应10h的原位XRD表征谱图