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


【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,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(Ptn)结构,高效和稳定的(Pt1-Ptn)/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Ptn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-Ptn)/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。

【图文导读】

图一、 Pt/α-MoC催化剂的结构表征及其水煤气变换反应(WGS)的催化性能

图二、Pt/α-MoC催化剂典型的WGS催化活性对比

图三反应路径研究

图四、用于WGS反应的Pt/α-MoC催化剂的稳定性

文献链接:“A stable low-temperature H2-production catalyst by crowding Pt on α-MoC(Nature202110.1038/s41586-020-03130-6)

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