上海高研院創(chuàng)制新型催化劑實現(xiàn)高效甲醇重整制氫
甲醇蒸汽重整(MSR)作為一種經(jīng)濟高效的原位制氫技術(shù),與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)的耦合,可推動氫能系統(tǒng)去中心化、小型化和便攜化發(fā)展,在交通領(lǐng)域潛力巨大。然而,傳統(tǒng)催化劑穩(wěn)定性有限、CO選擇性高,導(dǎo)致使用壽命短且易造成后端PEMFCs中電極中毒。
針對上述問題,中國科學(xué)院上海高等研究院(以下簡稱“上海高研院”)綠色碳科學(xué)團隊基于前期CO2轉(zhuǎn)化過程中納米顆粒催化劑的微觀機構(gòu)和局部電子性質(zhì)精準(zhǔn)調(diào)控的基礎(chǔ)上(J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 6037; ACS Catal. 2023, 13, 5, 3055; ACS Catal. 2024, 14, 3, 1324; Chinese J Catal., 2025, 71, 146, 157; Appl. Catal. B Environ., 2022, 316, 121669; Chem. Eng. J., 2023, 473, 145458),成功創(chuàng)制了相界面受限的單原子催化劑,形成的Cd-O-Ti相界面位點具有獨特性質(zhì),展現(xiàn)出優(yōu)異的甲醇蒸汽重整性能。該研究成果近期以“Phase-interface-anchored cadmium single-atom catalysts for efficient methanol steam reforming”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
研究發(fā)現(xiàn),與其他金屬相比,由于Cd與P25相界面具有能量適配性,Cd原子可穩(wěn)定錨定于P25的銳鈦礦(101)-金紅石(110)相界面缺陷處,形成具有不對稱幾何與電子特性的Cd-O-Ti相界面位點。這一獨特結(jié)構(gòu)增強了電子轉(zhuǎn)移及反應(yīng)物的吸附活化能力,使得其氫氣產(chǎn)率分別是銳鈦礦和金紅石表面單原子位點的15倍與8倍,同時實現(xiàn)了100%甲醇轉(zhuǎn)化率、超低CO濃度(~0.1 mol%)及超150小時的穩(wěn)定性(圖1)。通過H?預(yù)處理后,相界面密度最高可達10.1 m2 g?1,氫氣產(chǎn)率進一步提升至292.9 mmol?g?1?h?1。結(jié)合原位紅外、動力學(xué)同位素效應(yīng)及理論計算等表征手段,證實反應(yīng)遵循甲酸鹽分解路徑,相界面位點顯著降低了甲酸鹽形成及H?O吸附解離的能壘,同時抑制CO生成,從而解釋了其優(yōu)異性能的成因。此外,該粉末催化劑可通過3D打印制成千克級多孔整體式催化劑,進一步優(yōu)化反應(yīng)過程中的傳質(zhì)與傳熱效率,使CO濃度降至0.07 mol %(圖2)。

圖1 催化劑的結(jié)構(gòu)及性能

圖2 3D打印及CFD模擬
此項工作闡明了相界面單原子的形成機制,實現(xiàn)了相界面密度的可控調(diào)節(jié),揭示了界面位點的反應(yīng)機理并建立了清晰的構(gòu)效關(guān)系,為新型單原子催化劑的設(shè)計及實用化MSR催化劑的開發(fā)提供了重要思路。
該論文的第一作者為張書南,通訊作者為王慧研究員,X-射線吸收表征通在BL11B線站開展in-house研究完成。該研究得到國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-63060-7
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