Pt/α-MoC催化剂用于低温甲醇水相重整制氢

吴 凯

(北京大学化学与分子工程学院，北京 100871)

Pt/α-MoC催化剂用于低温甲醇水相重整制氢

吴 凯

(北京大学化学与分子工程学院，北京 100871)

氢燃料电池是最具潜力的新一代能量提供系统。但氢气的存储和输运一直是阻碍氢能大规模应用的瓶颈1，将氢气储存于液体燃料再通过催化反应原位释放氢气供应燃料电池使用是一种行之有效的间接储氢途径2。甲醇具有单位体积储氢量高、活化温度低、副产物少以及价廉易得等诸多优点，是理想的液体储氢平台分子。甲醇和水气相重整过程的研究已经非常广泛而深入。相比气相重整，在水相直接进行重整能够移除液体汽化单元，使产氢反应器结构更为紧凑。但是，目前具有较高活性的催化体系需要使用高浓度碱溶液辅助活化甲醇，而无碱条件下的低温高效的甲醇水相重整制氢催化剂尚未见诸报道。

最近北京大学马丁研究员先进催化课题组采用铂-碳化钼双功能催化剂在低温下(150-190 °C)实现对水和甲醇的高效活化和重整。碳化钼(MoC)存在两种较稳定的晶相：六方晶相β-Mo2C和立方晶相α-MoC。该研究工作首先考察了不同比例的α-MoC/β-Mo2C作为载体担载铂对甲醇水相重整制氢反应性能的影响，观察到随着载体中立方相碳化钼比例的增长，产氢活性急剧增加。而Pt负载于纯相α-MoC上(Pt/α-MoC)表现出了最优反应活性。通过X射线吸收精细结构谱(XAFS)、单原子分辨率的球差校正扫描透射电镜(STEM)研究表明Pt/α-MoC催化剂上存在着高密度原子级分散的铂。Pt与α-MoC之间的强相互作用使原子级分散的Pt中心在反应过程中保持结构稳定，同时α-MoC调控了负载于其上的Pt中心的电子结构，促进了反应的高效进行。进一步程序升温表面反应和密度泛函理论(DFT)计算表明，Pt/α-MoC催化甲醇水相重整是一个双中心反应，各基元步骤较低的能垒和速率的高度匹配是Pt/α-MoC催化剂表现出优异催化性能的根本原因。该研究与中国科学院大学的周武研究员、中国科学院山西煤炭化学研究所/中科合成油的温晓东研究员、以及大连理工大学的石川教授课题组合作完成。

该研究工作近期已在Nature杂志上发表3，该工作构建了新的化学高效储放氢体系，为燃料电池的原位供氢提供了新的思路。

(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