吳 凱

(北京大學化學與分子工程學院，北京 100871)

Pt/α-MoC催化劑用于低溫甲醇水相重整制氫

吳 凱

(北京大學化學與分子工程學院，北京 100871)

氫燃料電池是最具潛力的新一代能量提供系統(tǒng)。但氫氣的存儲和輸運一直是阻礙氫能大規(guī)模應用的瓶頸1，將氫氣儲存于液體燃料再通過催化反應原位釋放氫氣供應燃料電池使用是一種行之有效的間接儲氫途徑2。甲醇具有單位體積儲氫量高、活化溫度低、副產(chǎn)物少以及價廉易得等諸多優(yōu)點，是理想的液體儲氫平臺分子。甲醇和水氣相重整過程的研究已經(jīng)非常廣泛而深入。相比氣相重整，在水相直接進行重整能夠移除液體汽化單元，使產(chǎn)氫反應器結(jié)構(gòu)更為緊湊。但是，目前具有較高活性的催化體系需要使用高濃度堿溶液輔助活化甲醇，而無堿條件下的低溫高效的甲醇水相重整制氫催化劑尚未見諸報道。

最近北京大學馬丁研究員先進催化課題組采用鉑-碳化鉬雙功能催化劑在低溫下(150-190 °C)實現(xiàn)對水和甲醇的高效活化和重整。碳化鉬(MoC)存在兩種較穩(wěn)定的晶相：六方晶相β-Mo2C和立方晶相α-MoC。該研究工作首先考察了不同比例的α-MoC/β-Mo2C作為載體擔載鉑對甲醇水相重整制氫反應性能的影響，觀察到隨著載體中立方相碳化鉬比例的增長，產(chǎn)氫活性急劇增加。而Pt負載于純相α-MoC上(Pt/α-MoC)表現(xiàn)出了最優(yōu)反應活性。通過X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜(XAFS)、單原子分辨率的球差校正掃描透射電鏡(STEM)研究表明Pt/α-MoC催化劑上存在著高密度原子級分散的鉑。Pt與α-MoC之間的強相互作用使原子級分散的Pt中心在反應過程中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時α-MoC調(diào)控了負載于其上的Pt中心的電子結(jié)構(gòu)，促進了反應的高效進行。進一步程序升溫表面反應和密度泛函理論(DFT)計算表明，Pt/α-MoC催化甲醇水相重整是一個雙中心反應，各基元步驟較低的能壘和速率的高度匹配是Pt/α-MoC催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異催化性能的根本原因。該研究與中國科學院大學的周武研究員、中國科學院山西煤炭化學研究所/中科合成油的溫曉東研究員、以及大連理工大學的石川教授課題組合作完成。

該研究工作近期已在Nature雜志上發(fā)表3，該工作構(gòu)建了新的化學高效儲放氫體系，為燃料電池的原位供氫提供了新的思路。

(1) Schlapbach, L.; Züttel, A. Nature 2008, 414, 353. doi: 10.1038/35104634

(2) Nielsen, M.; Alberico, E.; Baumann, W.; Drexler, H. J.; Junge, H.; Gladiali, S.; Beller, M. Nature 2013, 495, 85. doi:10.1038/nature11891

(3) Lin, L.; Zhou, W.; Gao, R.; Yao, S.; Zhang, X.; Xu, W.; Zheng, S.; Jiang, Z.; Yu, Q.; Li, Y.; Shi, C.; Wen, X.; Ma, D. Nature doi:10.1038/nature21672

Low Temperature Hydrogen Production from Water/Methanol over Pt/α-MoC Catalysts

WU Kai
(College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China)

10.3866/PKU.WHXB201704122