氫能被認為是未來全球能源體系的重要支柱。高效、穩定、低成本的氫能生產已成為能源科技發展的關鍵挑戰。近日，中國科學院大學教授周武團隊與北京大學教授馬丁團隊合作，在《自然》（Nature）上發表了題為Shielding Pt/γ-Mo2N by Inert Nano-overlays Enables Stable H2?Production的研究成果。該研究報道了全新的高活性產氫催化劑穩定策略。研究通過設計、構筑稀土氧化物納米覆蓋層，保護Pt/γ-Mo2N催化劑的高活性界面催化位點，提升催化劑在甲醇-水重整制氫反應中的穩定性，使其催化壽命突破1000小時，創造超過1500萬的催化轉化數，超過現有甲醇-水重整催化劑。這一成果拓寬了該類型催化劑的工業應用前景，并為氫能技術的可持續發展提供了重要支撐。
催化技術在現代化學工業中占據核心地位。作為催化反應的核心，催化劑的活性和選擇性決定反應速率和目標產物的收率，是衡量新型催化劑性能的重要指標。同時，催化劑的穩定性直接影響生產的持續性和經濟性，是決定其能否實現大規模應用的重要因素。在催化研究中，高活性與高穩定性難以兼得是科學家面臨的核心挑戰之一。較多高活性催化劑能夠提升催化反應效率，但在反應過程中易發生結構退化和活性中心流失，最終加速失效。在甲醇-水重整產氫這一關鍵反應體系中，上述問題尤為突出。
此前，該團隊發現，在較低溫度下，貴金屬鉑（Pt）、金等和碳化鉬等活性載體構建的界面催化體系，能夠高效制氫，展現出超高活性和選擇性。但是，由于這類活性載體在水環境中易被氧化，使得催化中心的結構穩定性受到制約，導致催化劑快速失效，成為限制其工業化應用的瓶頸。如何在保持高活性的同時提升催化劑的穩定性，成為領域內最具有挑戰性的難題之一。
為破解催化劑穩定性瓶頸，該團隊提出了在Pt/γ-Mo2N催化劑表面構筑惰性稀土氧化物納米覆蓋層，形成納米尺度“保護盾”，覆蓋活性載體表面的冗余位點，從而實現對界面催化結構的精準保護的全新催化劑穩定策略。
原子尺度掃描透射電子顯微鏡成像和電子能量損失譜分析顯示，鑭（La）物種在γ-Mo2N表面以原子級分散，呈現化學惰性的+3價，覆蓋部分載體表面，并將其進行納米尺度分割。同時，電鏡表征證明，惰性稀土氧化物納米覆蓋層的加載未改變載體表面Pt物種的分散程度和結構，而催化劑中Pt物種主要以孤立單原子和少量亞納米團簇的形式分散在Mo2N表面，構成大量高活性的界面催化位點。原子尺度的電鏡分析從結構角度驗證了這一催化劑穩定策略在提升催化劑穩定性的同時不影響其催化活性。該策略的核心優勢在于有效覆蓋γ-Mo2N表面的冗余活性位點，阻止其在水環境中發生深度氧化；不損害催化劑的原有高活性和選擇性，確保甲醇-水重整反應高效進行；提高催化劑的抗失活能力，延長使用壽命，為長期穩定制氫提供技術保障。
實驗數據顯示，在甲醇重整制氫反應中，新型Pt/La-Mo2N催化劑展現出超過1000小時的穩定性而未有明顯失活。同時，該催化劑可以保持超高活性和選擇性，實現了超過1500萬的超高催化轉化數，創造了目前甲醇-水制氫催化反應的最高紀錄。
進一步，研究發現，這一策略具有良好的普適性，適用于La，可拓展至其他稀土元素，甚至適用于部分惰性非稀土元素，展現出廣泛的適用性，并為未來兼具“高活性、高選擇性和高穩定性”的高性能高催化劑的設計提供了全新思路。
這一研究基于單原子分辨的低電壓球差校正STEM成像和EELS化學成像分析，剖析了一系列加載不同惰性氧化物納米覆蓋層的Pt/Mo2N催化劑，揭示了La納米覆蓋層在提升催化劑穩定性方面的作用機制。其中，單原子精度的STEM-EELS分析解析了原子級分散La物種在催化劑表面的空間分布，提供了其化學價態的信息，為探討La納米覆蓋層在Pt/γ-Mo2N界面保護中的結構基礎提供了支持。該功能性化學成像技術可在單原子尺度上探究負載型催化劑表面物種的分散狀態及電子結構，已成為推動催化劑設計與優化的重要研究手段。
研究工作國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、北京高等學校卓越青年科學家計劃項目等的支持。
論文鏈接
Pt/γ-Mo2N和Pt/La-Mo2N催化劑的結構表征
Pt/La-Mo2N催化劑與典型貴金屬甲醇重整催化劑的產氫催化性能對比
本文鏈接：研究提出全新高活性產氫催化劑穩定策略http://www.lensthegame.com/show-12-732-0.html
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