資助成果 | 我國科學家在水煤氣變換低溫產氫研究中獲得重大突破

2021-01-20 國家自然科學基金委員會

該研究打破以可還原性載體分散貴金屬為低溫變換催化劑的傳統研究思路，利用過渡金屬碳化物熱穩定性好且與被分散金屬有較強相互作用的特點，構建雙功能碳化物負載金催化劑Au/α-MoC：立方相α-MoC低溫活化解離H2O，被分散的金促進低溫CO吸附活化，在界面處完成重整反應並生成H2。該催化劑可將水煤氣變換反應溫度大幅降低至120oC。在空速高達180,000h-1的反應條件下，反應活性達到1.05molCO/(molAu*s)，較文獻報導提升了一個數量級以上，而CO轉化率超過95%，有效解決水煤氣變換反應低溫條件下高反應轉化率與高反應速率不能兼得的難題。


單原子解析度的球差校正電鏡和吸收譜學研究並結合理論模擬計算表明：在Au與載體碳化鉬的強相互作用影響下，Au形成二維層狀納米結構，並形成缺電子中心，這是CO和H2O的低溫有效活化的關鍵，同時該催化劑在高溫活化和反應條件下表現出優異的結構穩定性。

　　

水煤氣變換反應（CO+H2O=CO2+H2）可以從水中取氫，是化石能源和生物質制氫以及氫氣純化過程的重要反應，其與水蒸汽重整反應組合是目前廉價制氫的主要工業技術，廣泛應用於合成氨以及油品和化學品的生產過程。同時，隨著氫能經濟的發展，氫燃料電池成為重要的新能源應用平臺。


為防止氫燃料中少量一氧化碳（CO）對燃料電池催化劑的毒化，可採用水煤氣變換反應對氫燃料進行純化。作為一個低溫有利反應，如果能找到可以在較低溫度工作的高效水煤氣變換催化劑，就能在獲得高催化活性的同時獲得熱力學的優勢，這也是與低溫氫燃料電池（工作溫度70-90攝氏度）有效整合的需要。因此，開發在低溫區（<150oC）同時具有高催化活性和穩定性的水煤氣變換催化劑具有重大意義。

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