西安交大Fuel：通过缺陷工程增强SMSI效应实现高效脱氢

一、【导读】

随着经济的快速发展，化石燃料的消耗量逐渐增加，环境和能源问题越来越受到关注。作为可再生能源，氢能在能源消耗过程中保持高能量密度和零碳排放，越来越受到关注。然而，储氢技术是氢能实际应用的关键瓶颈。因此，探索高效储氢技术以满足氢能的大规模利用至关重要。目前，现有的储氢技术由于储氢密度低、能耗高、储氢材料容易失活和成本高等缺点限制了它们的应用。有机液态储氢载体（LOHC）被认为是大规模储氢的理想选择。其中NECZ/12H-NECZ体系由于具有5.79 wt%的高储氢容量和50.6 kJ/mol H₂的低脱氢焓的优异性能而受到越来越多的关注。然而NECZ的低脱氢速率和选择性使12H-NECZ的脱氢过程充满挑战。

二、【成果掠影】

基于以上难题，西安交通大学姜召副教授团队通过将金属Pt和SiO₂-TiO(OH)₂载体结合制备了Pt/SiO₂-TiO(OH)₂催化剂用于12H-NECZ脱氢。通过研究载体的制备工艺和Pt的负载量筛选出了最佳催化剂。结果表明，2.5wt%Pt/SiO₂-TiO(OH)₂具有最佳的脱氢性能。结合XRD、HRTEM、ATR-FTIR、XPS和EPR分析，详细讨论了催化剂的结构-功能关系和氧空位浓度对催化脱氢性能的影响。此外，研究人员还对其动力学分析和反应机理进行了研究。发现Pt和SiO2-TiO(OH)₂之间的适当金属-载体强相互作用（SMSI）效应可以调节12H-NECZ的催化脱氢性能。研究成果以题为“Strengthening the metal-support interaction over Pt/SiO₂-TiO(OH)₂by defect engineering for efficient dehydrogenation of dodecahydro-N-ethylcarbazole”发表在知名期刊Fuel上。

三、【核心创新点】

制备的2.5wt% Pt/SiO₂-TiO(OH)₂催化剂显示出高效的12H-NECZ脱氢性能，归因于提高的氧空位浓度增强了Pt和SiO₂-TiO(OH)₂之间的SMSI效应，改变了Pt的电子结构，优化了d带中心以加速反应。

四、【论文掠影】

图1、XRD分析© 2023 Elsevier

（a）2.5PS、2.5PT、2.5PST、2.5PAT和2.5PCT催化剂的XRD图案。

（b-c）不同ST载体合成的2.5PST催化剂的XRD图案。

（d）制备的TiO(OH)₂、SiO₂-TiO(OH)₂、SiO₂-TiO₂和TiO₂载体的XRD图案。

图二、ATR-FTIR光谱© 2023 Elsevier

（a-b）2.5PT、2.5PS、2.5PST、2.5PAT和2.5PCT在650-4000 cm^-1区域的ATR-FTIR光谱。

（c）不同ST载体合成的2.5PST催化剂在650-2000 cm^-1区域的ATR-FTIR光谱。

（d）ST与2.5PST的ATR-FTIR光谱对比。

图三、EPR表征© 2023 Elsevier

2.5PT、2.5PS和2.5PST催化剂的EPR谱图。

图四、XPS表征© 2023 Elsevier

2.5PS、2.5PT和2.5PST的Si 2p、Ti 2p、Pt 4f以及O 1s XPS光谱。

图五、孔径结构研究© 2023 Elsevier

（a）氮气（N₂）吸附-解吸附等温线。

（b）2.5PT、2.5PS和2.5PST催化剂的相应DFT介孔尺寸分布。

图六、TEM表征© 2023 Elsevier

（a-b）不同放大倍数的2.5PST催化剂的HRTEM图像。

（c-e）图b中不同区域相应局部放大图像。

图七、元素分布© 2023 Elsevier

（a）HRTEM图像和2.5PST中Pt的平均尺寸分布。

（b-f）O、Si、Pt和Ti的mapping图像。

图八、孔径结构研究© 2023 Elsevier

（a）催化剂在453K下的时间分辨脱氢性能。

（b-i）12H-NECZ脱氢的相应产物分布。

图九、脱氢反应的动力学研究© 2023 Elsevier

三种基本反应在不同催化剂上的速率常数对比。

图十、本征电子结构与催化性能的关系© 2023 Elsevier

（a）2.5PS、2.5PT和2.5PST到VBM的高分辨率价带。

（b）催化剂的脱氢活性与d带中心的关系。

五、【总结展望】

综上所述，研究人员用溶剂热法合成了Pt/SiO₂-TiO(OH)₂催化剂，并对其脱氢性能进行了研究。结果表明，2.5wt% Pt/SiO₂-TiO(OH)₂催化剂表现出最佳的脱氢性能，释放量为5.75wt%，NECZ的选择性为98%。结合XRD、HRTEM、ATR-FTIR和EPR分析表明，增强的性能可以归因于在2.5PST中SiO2和TiO(OH)₂之间的相互作用促进了氧空位的生成，这提供了Pt纳米颗粒的更多锚定位点。本研究为使用缺陷工程方法设计LOHC系统的高效催化剂提供了新的策略。

文献链接：Strengthening the metal-support interaction over Pt/SiO₂-TiO(OH)₂by defect engineering for efficient dehydrogenation of dodecahydro-N-ethylcarbazole(Fuel2023,334, 126733)

本文由赛恩斯供稿。