《自然》雜志2月12日刊發(fā)了一項顛覆性催化技術(shù)突破:北京大學(xué)馬丁教授課題組與中國科學(xué)院大學(xué)周武教授課題組合作,開發(fā)出全球首例兼具超高活性與超長穩(wěn)定性的甲醇-水重整制氫催化劑。該研究通過獨創(chuàng)的稀土氧化物“納米防護盾”技術(shù),將鉑基催化劑的持續(xù)工作時間提升至1000小時以上,催化轉(zhuǎn)化數(shù)(TON)突破1500萬次大關(guān),為氫能規(guī)?;瘧?yīng)用掃除關(guān)鍵障礙。
研究團隊聚焦困擾催化領(lǐng)域多年的“活性-穩(wěn)定性權(quán)衡”難題,針對用于甲醇-水重整(MSR)制氫的高活性Pt/α-MoC體系存在的致命缺陷展開攻關(guān)。傳統(tǒng)鉑/立方相碳化鉬催化劑雖在低溫條件下展現(xiàn)卓越制氫效率和超高催化活性,但活性載體遇水氧化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化的問題始終無解——這直接造成現(xiàn)有催化劑平均壽命不足200小時。
“我們首次實現(xiàn)了對催化劑活性位點的分子級精準(zhǔn)防護?!闭撐耐ㄓ嵶髡唏R丁解釋了這項研究的創(chuàng)新策略,“就像給精密儀器加裝防護罩,用稀土氧化物納米層覆蓋活性載體表面的冗余活性位,既阻止氧化侵蝕,又保持界面催化位點的超高活性狀態(tài)?!?/p>
研究團隊創(chuàng)造性地在Pt/γ-Mo?N催化劑表面構(gòu)筑鑭系氧化物納米覆蓋層,形成三重防護機制:1. 物理屏障:薄至單原子厚的惰性La?O?層隔絕水分子與高活性載體直接接觸;2. 結(jié)構(gòu)調(diào)控:稀土保護層阻止Pt物種的遷移和聚集;3. 位點鎖定:選擇性覆蓋非必要表面位點,保留關(guān)鍵催化活性界面。
這種“精準(zhǔn)防護”理念帶來驚人效果:在240°C反應(yīng)條件下,新型Pt/La-Mo?N催化劑的衰減速率較傳統(tǒng)催化劑降低兩個數(shù)量級,持續(xù)運行42天后仍保持98%以上初始活性。其1500萬的催化轉(zhuǎn)化數(shù)更是刷新該領(lǐng)域世界紀(jì)錄,相當(dāng)于單個Pt原子在運行周期內(nèi)可以制備超過1500萬個氫氣分子,為長期穩(wěn)定制氫提供技術(shù)保障。
圖1. Pt/La-Mo2N催化劑的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)氫催化性能
更令人振奮的是,該策略展現(xiàn)出強大的拓展性。研究證實釔(Y)、鐠(Pr)、鈥(Ho)等稀土元素,甚至鍶(Sr)等非稀土元素均可構(gòu)建類似防護層。這種“元素工具箱”特性為定制化催化劑開發(fā)提供了無限可能。為未來兼具“高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性”的高性能界面催化劑的設(shè)計提供了全新思路。
“這項突破相當(dāng)于找到了界面催化劑穩(wěn)定性的通用密碼?!惫餐ㄓ嵶髡咧芪渲赋?。
據(jù)國際氫能委員會預(yù)測,到2050年氫能將承擔(dān)全球18%的終端能源需求。然而當(dāng)前全球96%的氫產(chǎn)量仍依賴化石燃料,每噸氫氣伴隨10~12噸CO?排放。該技術(shù)突破不僅使生物甲醇等綠色氫源的大規(guī)模應(yīng)用成為可能,其防護策略還可延伸至氨分解、燃料電池、可持續(xù)化學(xué)工業(yè)等關(guān)鍵領(lǐng)域,為全球能源轉(zhuǎn)型提供可能方案。
該論文通訊作者是馬丁和周武。北京大學(xué)博士后高子睿、中國科學(xué)院大學(xué)已畢業(yè)博士生李傲雯、北京大學(xué)訪問學(xué)者劉興武、北京大學(xué)特聘副研究員彭覓以及博士研究生于士翔為該論文的共同第一作者。該研究工作獲得了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京分子科學(xué)國家研究中心、新基石研究員項目、北京高校卓越青年科學(xué)家計劃項目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊項目、中國科學(xué)院大學(xué)電子顯微學(xué)實驗室等資助和支持。
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