高效水煤氣變換制氫研究獲突破

2021-02-25 化工科技創新

大幅提升催化劑反應活性和長效穩定性

2月20日，從北京大學化學與分子工程學院傳出消息，該院馬丁教授與大連理工大學石川教授、中科院山西煤化所溫曉東研究員課題組合作，研發出高效水煤氣變換制氫催化劑，大幅提升了催化劑的反應活性及長效穩定性，在催化制氫領域取得突破性進展。

馬丁介紹：「我們研發的催化劑首次在超寬溫度區間實現高效水煤氣變換制氫，突破現有催化劑工作溫度區間較高且窄的局限，提升了水煤氣變換制氫催化劑的反應活性及長效穩定性。」

氫能經濟被認為是實現社會可持續發展的關鍵進程之一。從水中產氫、氫氣運輸和高效純化是氫能經濟發展的核心。其中，水煤氣變換反應與甲烷水蒸氣重整反應的組合是目前工業制高純氫氣的關鍵技術之一。發展低溫、高效、穩定的水煤氣變換制氫催化劑，對工業產氫過程和氫能的大規模應用具有重要意義。

2017年，研究團隊發現的立方相碳化鉬(α-MoC)負載的高分散貴金屬鉑(Pt)和金(Au)催化劑可用於低溫原位產氫和氫氣純化，實現了高純氫氣在溫和條件下的高效製備，突破了氫燃料電池在氫氣貯存手段方面的限制。然而，在反應條件下，如果α-MoC表面吸附解離的部分水分子不能及時轉化，將導致α-MoC的深度氧化、催化劑失活、催化壽命顯著縮短等問題。

為解決上述問題，研究團隊基於前期在金屬—金屬碳化物雙組分體系方面的研究積累，設計和構建更高效的催化劑體系，通過在α-MoC表面創造更多的錨定位點，構建了高密度原子級Pt催化體系，顯著提高催化活性和穩定性。同時，研究團隊對催化劑催化機理進行了詳細研究，高覆蓋度Pt物種的存在增強了在α-MoC表面解離的水產生的活潑氧物種的快速反應和脫附，可循環回催化活性位點，有效防止α-MoC被深度氧化，這是催化劑獲得高穩定性的關鍵所在。

該研究首次發現了基於CO直接解離步驟的低溫協同制氫新路徑。在具有高密度Pt物種的催化劑上，新反應突破了目前CO和水重整制氫技術溫度的極限。「我們首次在近室溫至400℃的超寬溫度區間實現高效水煤氣變換制氫，提升了α-MoC負載的水煤氣變換制氫催化劑的反應活性及長效穩定性。以貴金屬鉑價格為6242美元進行經濟衡算，Pt/α-MoC催化劑首次突破了依據美國能源部2004年車載燃料電池發展規劃所推算的催化活性限值。」馬丁表示。

「目前催化劑製備規模在克級，單位催化劑的制氫規模達到產氫速度10~20mL/s的量級。」馬丁介紹，當前離催化劑大規模工業化應用仍然存在一定距離，需要精準控制製備條件，希望能夠和企業進行合作，加快該項成果的產業化進程。

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