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近日，北京大學化學與分子工程學院教授馬丁課題組在低溫工業產氫過程研究方面取得重要突破，該研究成果以Atomic-layered Au clusters on α-MoC as catalysts for the low temperature water-gas-shift reaction 為題發表在6月22日的《科學》雜志上（DOI: 10.1126/science.aah4321）。
水煤氣變換反應（CO+H2O=CO2+H2）可以從水中取氫，是化石能源和生物質制氫以及氫氣純化過程的重要反應，其與水蒸汽重整反應組合是目前廉價制氫的主要工業技術，廣泛應用于合成氨以及油品和化學品的生產過程。同時，隨著氫能經濟的發展，氫燃料電池成為重要的新能源應用平臺。為防止氫燃料中少量一氧化碳（CO）對燃料電池催化劑的毒化，可采用水煤氣變換反應對氫燃料進行純化。作為一個低溫有利反應，如果能找到可以在較低溫度工作的高效水煤氣變換催化劑，就能在獲得高催化活性的同時獲得熱力學的優勢，這也是與低溫氫燃料電池（工作溫度70-90攝氏度）有效整合的需要。因此，開發在低溫區（<150℃）同時具有高催化活性和穩定性的水煤氣變換催化劑具有重大意義。
馬丁課題組與大連理工大學石川、美國布魯克海文國家實驗室 Jose A. Rodriguez、中國科學院大學周武、中國科學院山西煤炭化學研究所/中科合成油溫曉東等課題組合作，突破以可還原性載體分散貴金屬為低溫變換催化劑的傳統研究思路，利用過渡金屬碳化物熱穩定性好且與被分散金屬有較強相互作用的特點，構建雙功能碳化物負載金催化劑Au/α-MoC：立方相α-MoC低溫活化解離H2O，被分散的金促進低溫CO吸附活化，在界面處完成重整反應并生成H2。該催化劑可將水煤氣變化反應溫度大幅降低至120℃。在空速高達180，000h-1的反應條件下，反應活性達到1.05 molCO/(molAu*s)，較文獻報道提升了一個數量級以上，而CO轉化率超過95%，有效解決水煤氣變換反應低溫條件下高反應轉化率與高反應速率不能兼得的難題。對Au的EXAFS擬合結果顯示，Au負載于α-MoC上Au-Au和Au-Mo鍵長更短、配位數更低，即具有比負載于β-Mo2C上時更小的粒徑，與α-MoC襯底相互作用更強；Au-Au配位數結合單原子分辨率的球差校正電鏡和理論模擬計算表明：在Au與載體碳化鉬的強相互作用影響下，Au形成二維層狀納米結構，并形成缺電子中心，這是CO和H2O的低溫有效活化的關鍵，同時該催化劑在高溫活化和反應條件下表現出優異的結構穩定性。該研究工作構建了新的低溫產氫體系，為氫能經濟的推廣以及氫氣純化過程提供了新的思路。
Au元素L3邊XAFS數據在上海光源BL14W1 線站獲得，從而保證了對催化劑電子結構和幾何結構進行詳細研究。該研究工作得到了“973”計劃、國家自然科學基金、中科院、青年***、上海光源重點課題等資助。 |
