製備氫燃料,水煤氣變換低溫產氫重大突破 | 2019未來科學大獎周

2021-01-20 未來論壇

馬丁

北京大學化學與分子工程學院教授


北京大學化學與分子工程學院/北京大學工學院教授。針對我國社會能源和資源優化利用過程，主要開展氫能製備與輸運，以及高值碳基化學品/油品合成等方面研究工作。獲得2013年度北京大學青年教師教學比賽一等獎，2014年度王選青年學者獎，2017年中國催化青年獎，2017年度中國科學十大進展。國家自然科學基金委員優秀青年基金、傑出青年基金獲得者。2016年入選英國皇家化學會會士(Fellow of Royal Society of Chemistry)。2014-2017年擔任英國皇家化學會Catalysis Science & Technology副主編; 目前擔任ACS Catalysis, Chinese Journal of Chemistry副主編， Journal of Energy Chemistry、Science Bulletin、 Joule、Catalysis Science & Technology等刊編委和顧問編委。


摘要：低溫水汽變換反應（WGS, CO+H2O=H2+CO2) 可以從水中取氫，是能源化學領域中制氫和氫氣純化過程的重要反應。該過程被廣泛應用於制氫，以及加氫過程中去除原料氣中大量的CO，是製備高純氫氣的重要過程。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，可採用水汽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汽變換催化劑，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汽變換催化劑具有重大意義。我們突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。該催化劑可將水汽變化反應溫度大幅降低至120 oC。在空速高達 180,000h-1的反應條件下，反應活性達到1.05 molCO/(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%，有效解決水汽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。

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