中國科學院福建物質結構研究所等：經濟穩定產氫單原子催化劑理論設計研究獲進展

【成果簡介】

中國科學院福建物質結構研究所結構化學重點實驗室吳克琛研究組在副研究員李巧紅主持的國家基金委青年項目和美國懷俄明大學化學系教授范茂宏主持的美國能源部項目等的資助下，積極開展面向新能源催化反應機理和新型催化劑的理論研究。近日，李巧紅與范茂宏開展合作，以貴金屬鉑的高效應用于水煤氣反應為研究背景，通過嚴密的理論計算設計出一款穩定且低價高效產氫的新穎負載型單原子Pt基催化劑——Pt@Mo₂C。相關研究結果以“Computation-predicted, stable, and inexpensive single-atom nanocatalyst Pt@Mo₂C–an important advanced material for H₂ production”為題發表在國際期刊Journal of Materials Chemistry A上。

【圖文導讀】

圖1 Pt @ Mo₂C（001）表面上吸附物的優先吸附情況

括號中的值是吸附能量。吸附能量以eV給出。Mo、Pt、C、O、H原子分別以藍色、深藍色、灰色、紅色和白色著色

圖2 WGS反應的勢能計算圖

藍線：Pt（111）表面

綠線：Pt @ Mo₂C（001）表面

【研究內容】

清潔能源是人類社會可持續發展的基石，而氫是一種最為理想的清潔能源之一。水煤氣反應是一種重要的產氫方式，但是關鍵的催化劑及其催化機理還缺乏深入的探究。

李巧紅與范茂宏合作設計出一款穩定且低價高效產氫的新穎負載型單原子Pt基催化劑——Pt@Mo₂C。該單原子催化劑能夠最大程度地提高貴金屬Pt的原子利用率，為實用產氫材料的設計和應用提供了重要的理論基礎。研究結果顯示過渡金屬Pt與載體上的Mo原子具有較強的相互作用，水煤氣反應中吸附物種最穩定的吸附位點都在Mo位點上；中間體trans-COOH是Pt@Mo₂C催化劑表面上最主要的物種，而HCOO不是一個活躍的反應中間體；研究創新性地發現Mo和Pt-Mo位點是水煤氣反應的活性位點：Mo位點有利于水解離的發生并釋放出大量氫；同時Pt-Mo位點有利于H-H鍵的形成，通過雙金屬界面的協同作用，從而有效提高了Pt@Mo₂C催化劑產氫能力。

此前該研究組還在以獲得清潔能源為目標的光催化分解水產氫的半導體材料能帶調控的理論工作中取得進展（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 8466）。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201707/t20170719_4609016.shtml。

文獻鏈接：Computation-predicted, stable, and inexpensive single-atom nanocatalyst Pt@Mo₂C – an important advanced material for H₂ production(J. Mater. Chem. A,2017,DOI：10.1039/C7TA03115G)

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