北大&大连理工&中科院Nature:高效稳定的Pt/α-MoC催化剂用于低温产氢

CYM 3年前 (2021-01-21) 4132浏览

【引言】

水煤气变换（WGS）反应是以一氧化碳和水反应生成的纯氢（H₂）的工业制氢的重要方法，其广泛用于燃料电池。但该反应需要低温下持久、高效的WGS催化剂来促使其在较低的反应温度区间发生。活性金属物质的会严重影响催化剂的活性。在WGS的情况下，研究表明，金（Au）和铂（Pt）单个位点可在400-573 K的低温范围内促进该反应，同时Pt /二氧化硅（SiO₂）和Pt-钠（Na）/ SiO₂催化剂的活性中心是Pt颗粒而不是单个Pt原子。最近的工作表明，α-碳化钼（α-MoC）载体上的原子层金簇具有很高的活性。但普遍的观点认为，最大化金属/支撑界面的密度增加了催化活性，但金属原子在反应温度下团聚，从而限制了催化剂的稳定性。此外，反应温度在473K以上，载体易被氧化从而导致催化剂失活。构建一种催化剂，以实现较高表面贵金属原子级物种负载量，以及防止WGS反应中失活的强抗氧化能力，仍然是一个巨大的挑战。

近日，北京大学马丁教授，大连理工大学石川教授，以及中国科学院大学物理科学学院周武教授（共同通讯作者）提出了一种在α-MoC表面上锚定Pt原子，得到同时具有孤立Pt原子（Pt₁）和亚纳米金属Pt团簇（Pt_n）结构，高效和稳定的(Pt₁-Pt_n)/α-MoC催化剂，其可以在313K下低温催化水煤气变换反应（WGS）。研究表明，Pt₁具有较高的本征WGS活性，比迄今报道的最佳催化剂高一个数量级，而在α-MoC上形成的Pt₁和Pt_n是高质量特异性活性的关键。原子Pt可以有效地促使吸附在Pt上的一氧化碳（CO）促使相邻的α-MoC表面上的氧物种更替，从而防止α-MoC衬底发生深度氧化和失活。(Pt₁-Pt_n)/α-MoC催化剂展现出每摩尔Pt可以实现高达4300000 摩尔H₂的转化数（TON），比Au/α-MoC催化剂高一个数量级。相关研究成果以“A stable low-temperature H₂-production catalyst by crowding Pt on α-MoC”为题发表在Nature上。