Pt/α-MoC催化劑用于低溫甲醇水相重整制氫

吳 凱

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(yùn)一直是阻礙氫能大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸1，將氫氣儲存于液體燃料再通過催化反應(yīng)原位釋放氫氣供應(yīng)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(diǎn)，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(jìn)行重整能夠移除液體汽化單元，使產(chǎn)氫反應(yīng)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(xué)馬丁研究員先進(jìn)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(shí)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(dān)載鉑對甲醇水相重整制氫反應(yīng)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(fù)載于純相α-MoC上(Pt/α-MoC)表現(xiàn)出了最優(yōu)反應(yīng)活性。通過X射線吸收精細(xì)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(qiáng)相互作用使原子級分散的Pt中心在反應(yīng)過程中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時α-MoC調(diào)控了負(fù)載于其上的Pt中心的電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了反應(yīng)的高效進(jìn)行。進(jìn)一步程序升溫表面反應(yīng)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(yīng)，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(xué)院大學(xué)的周武研究員、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所/中科合成油的溫曉東研究員、以及大連理工大學(xué)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(xué)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