北大&大連理工&中科院Nature:高效穩定的Pt/α-MoC催化劑用于低溫產氫

CYM 3年前 (2021-01-21) 3582瀏覽

【引言】

水煤氣變換（WGS）反應是以一氧化碳和水反應生成的純氫（H₂）的工業制氫的重要方法，其廣泛用于燃料電池。但該反應需要低溫下持久、高效的WGS催化劑來促使其在較低的反應溫度區間發生。活性金屬物質的會嚴重影響催化劑的活性。在WGS的情況下，研究表明，金（Au）和鉑（Pt）單個位點可在400-573 K的低溫范圍內促進該反應，同時Pt /二氧化硅（SiO₂）和Pt-鈉（Na）/ SiO₂催化劑的活性中心是Pt顆粒而不是單個Pt原子。最近的工作表明，α-碳化鉬（α-MoC）載體上的原子層金簇具有很高的活性。但普遍的觀點認為，最大化金屬/支撐界面的密度增加了催化活性，但金屬原子在反應溫度下團聚，從而限制了催化劑的穩定性。此外，反應溫度在473K以上，載體易被氧化從而導致催化劑失活。構建一種催化劑，以實現較高表面貴金屬原子級物種負載量，以及防止WGS反應中失活的強抗氧化能力，仍然是一個巨大的挑戰。

近日，北京大學馬丁教授，大連理工大學石川教授，以及中國科學院大學物理科學學院周武教授（共同通訊作者）提出了一種在α-MoC表面上錨定Pt原子，得到同時具有孤立Pt原子（Pt₁）和亞納米金屬Pt團簇（Pt_n）結構，高效和穩定的(Pt₁-Pt_n)/α-MoC催化劑，其可以在313K下低溫催化水煤氣變換反應（WGS）。研究表明，Pt₁具有較高的本征WGS活性，比迄今報道的最佳催化劑高一個數量級，而在α-MoC上形成的Pt₁和Pt_n是高質量特異性活性的關鍵。原子Pt可以有效地促使吸附在Pt上的一氧化碳（CO）促使相鄰的α-MoC表面上的氧物種更替，從而防止α-MoC襯底發生深度氧化和失活。(Pt₁-Pt_n)/α-MoC催化劑展現出每摩爾Pt可以實現高達4300000 摩爾H₂?的轉化數（TON），比Au/α-MoC催化劑高一個數量級。相關研究成果以“A stable low-temperature H₂-production catalyst by crowding Pt on α-MoC”為題發表在Nature上。