北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院馬丁課題組與合作者創(chuàng)制超長(zhǎng)壽命制氫催化劑

     《自然》雜志2月12日刊發(fā)了一項(xiàng)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(guó)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(zhǎng)穩(wěn)定性的甲醇-水重整制氫催化劑。該研究通過獨(dú)創(chuàng)的稀土氧化物“納米防護(hù)盾”技術(shù)，將鉑基催化劑的持續(xù)工作時(shí)間提升至1000小時(shí)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(tuán)隊(duì)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(duì)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(shí)。

      “我們首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)催化劑活性位點(diǎn)的分子級(jí)精準(zhǔn)防護(hù)?！闭撐耐ㄓ嵶髡唏R丁解釋了這項(xiàng)研究的創(chuàng)新策略，“就像給精密儀器加裝防護(hù)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(diǎn)的超高活性狀態(tài)?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)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(hù)機(jī)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(hù)層阻止Pt物種的遷移和聚集；3. 位點(diǎn)鎖定：選擇性覆蓋非必要表面位點(diǎn)，保留關(guān)鍵催化活性界面。

      這種“精準(zhǔn)防護(hù)”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(gè)數(shù)量級(jí)，持續(xù)運(yùn)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(gè)Pt原子在運(yùn)行周期內(nèi)可以制備超過1500萬個(gè)氫氣分子，為長(zhǎng)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(qiáng)大的拓展性。研究證實(shí)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(hù)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(jì)提供了全新思路。

         “這項(xiàng)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嵶髡咧芪渲赋觥?/p>

         據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)，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(hù)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(guó)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心、新基石研究員項(xiàng)目、北京高校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子顯微學(xué)實(shí)驗(yàn)室等資助和支持。