华东理工大学动态原位漫反射红外光谱技术研究获进展

动态光谱技术为工业催化剂活性位点识别和反应机理解析提供了实时、精准的动态观测手段。近日，华东理工大学化工学院、绿色化工与工业催化国家重点实验室朱明辉教授通过创新性的动态光谱技术，首次实现了对甲醇水蒸气重整（methanol steam reforming, MSR）反应网络的实时解析，明确了Cu-Zn界面的双功能催化机制，为理性设计高性能制氢催化剂提供了理论基础。所发展的同位素调制激发结合相敏检测的漫反射红外傅立叶变换光谱技术（ME-PSD-DRIFTS）为多相催化反应机理研究开辟了新途径。相关成果发表于《美国化学会志》。

CuZnO催化剂上甲醇重整制氢反应流程图

氢能作为一种清洁高效的能源载体，在构建未来可持续能源体系中具有重要战略地位。其中，甲醇水蒸气重整（methanol steam reforming, MSR）因其反应条件温和、氢气产率高而成为最具应用前景的制氢技术之一。铜基催化剂凭借其优异的活性和较低的CO选择性在该反应中展现出独特优势。然而，现有研究对MSR反应中活性位点的本质认识仍存在争议，对反应机制的阐释也多基于静态条件下的实验结果，这严重制约了高性能催化剂的理性设计。

为突破这一瓶颈，本研究创新性地采用ME-PSD-DRIFTS方法首次实现了对Cu-Zn催化剂表面反应动力学的原位动态解析。研究采用自主研发的低死体积原位漫反射池系统，其优化的原位池腔内结构具有极低的气体平均停留时间，且独特设计的双ZnSe凸透镜漫反射光学附件系统可最大限度提升信号强度。通过周期性切换同位素原料（H/D、¹²C/¹³C）的调制激发方式，结合相敏检测技术，成功构建了“动态信号提取”的研究范式。这种方法能够有效区分活性中间体与旁观物种，为揭示MSR反应的真实机制提供了关键技术支撑。

实验结果表明，Cu-Zn界面协同作用在催化过程中起着决定性作用：甲醇在Cu位点上优先吸附解离形成甲氧基（CH₃O*），而ZnO主要负责水分子的吸附。关键中间体甲酸盐（HCOO*）的形成被证实是通过甲氧基与表面羟基的相互作用实现的，且其C-H键中的氢原子来源于甲醇分子而非水分子。相敏检测技术进一步揭示甲氧基脱氢步骤是该反应的速率控制步骤。程序升温表面反应实验排除了CO路径的可能性，证实甲酸盐直接分解为CO₂和H₂的路径主导整个反应过程。此外，通过碳同位素示踪实验明确了表面碳酸盐物种的旁观者角色。这些发现不仅深化了对MSR反应机理的理解，更为设计高效铜基制氢催化剂提供了重要的理论依据。