高效水煤气变换制氢研究获突破

大幅提升催化剂反应活性和长效稳定性

　　中化新网讯 2月20日，从北京大学化学与分子工程学院传出消息，该院马丁教授与大连理工大学石川教授、中科院山西煤化所温晓东研究员课题组合作，研发出高效水煤气变换制氢催化剂，大幅提升了催化剂的反应活性及长效稳定性，在催化制氢领域取得突破性进展。

　　马丁介绍：“我们研发的催化剂首次在超宽温度区间实现高效水煤气变换制氢，突破现有催化剂工作温度区间较高且窄的局限，提升了水煤气变换制氢催化剂的反应活性及长效稳定性。”

　　氢能经济被认为是实现社会可持续发展的关键进程之一。从水中产氢、氢气运输和高效纯化是氢能经济发展的核心。其中，水煤气变换反应与甲烷水蒸气重整反应的组合是目前工业制高纯氢气的关键技术之一。发展低温、高效、稳定的水煤气变换制氢催化剂，对工业产氢过程和氢能的大规模应用具有重要意义。

　　2017年，研究团队发现的立方相碳化钼(α-MoC)负载的高分散贵金属铂(Pt)和金(Au)催化剂可用于低温原位产氢和氢气纯化，实现了高纯氢气在温和条件下的高效制备，突破了氢燃料电池在氢气贮存手段方面的限制。然而，在反应条件下，如果α-MoC表面吸附解离的部分水分子不能及时转化，将导致α-MoC的深度氧化、催化剂失活、催化寿命显著缩短等问题。

　　为解决上述问题，研究团队基于前期在金属—金属碳化物双组分体系方面的研究积累，设计和构建更高效的催化剂体系，通过在α-MoC表面创造更多的锚定位点，构建了高密度原子级Pt催化体系，显著提高催化活性和稳定性。同时，研究团队对催化剂催化机理进行了详细研究，高覆盖度Pt物种的存在增强了在α-MoC表面解离的水产生的活泼氧物种的快速反应和脱附，可循环回催化活性位点，有效防止α-MoC被深度氧化，这是催化剂获得高稳定性的关键所在。

　　该研究首次发现了基于CO直接解离步骤的低温协同制氢新路径。在具有高密度Pt物种的催化剂上，新反应突破了目前CO和水重整制氢技术温度的极限。“我们首次在近室温至400℃的超宽温度区间实现高效水煤气变换制氢，提升了α-MoC负载的水煤气变换制氢催化剂的反应活性及长效稳定性。以贵金属铂价格为6242美元进行经济衡算，Pt/α-MoC催化剂首次突破了依据美国能源部2004年车载燃料电池发展规划所推算的催化活性限值。”马丁表示。

　　“目前催化剂制备规模在克级，单位催化剂的制氢规模达到产氢速度10~20mL/s的量级。”马丁介绍，当前离催化剂大规模工业化应用仍然存在一定距离，需要精准控制制备条件，希望能够和企业进行合作，加快该项成果的产业化进程。