化学学院马丁课题组与合作者创制超长寿命制氢催化剂
发布时间: 2025-02-28 10:10:32
《自然》杂志2月12日刊发了一项颠覆性催化技术突破：北京大学马丁教授课题组与中国科学院大学周武教授课题组合作，开发出全球首例兼具超高活性与超长稳定性的甲醇-水重整制氢催化剂。该研究通过独创的稀土氧化物“纳米防护盾”技术，将铂基催化剂的持续工作时间提升至1000小时以上，催化转化数（TON）突破1500万次大关，为氢能规模化应用扫除关键障碍。
研究团队聚焦困扰催化领域多年的“活性-稳定性权衡”难题，针对用于甲醇-水重整（MSR）制氢的高活性Pt/α-MoC体系存在的致命缺陷展开攻关。传统铂/立方相碳化钼催化剂虽在低温条件下展现卓越制氢效率和超高催化活性，但活性载体遇水氧化导致结构退化的问题始终无解——这直接造成现有催化剂平均寿命不足200小时。
“我们首次实现了对催化剂活性位点的分子级精准防护。”论文通讯作者马丁解释了这项研究的创新策略，“就像给精密仪器加装防护罩，用稀土氧化物纳米层覆盖活性载体表面的冗余活性位，既阻止氧化侵蚀，又保持界面催化位点的超高活性状态。”
研究团队创造性地在Pt/γ-Mo₂N催化剂表面构筑镧系氧化物纳米覆盖层，形成三重防护机制：1. 物理屏障：薄至单原子厚的惰性La₂O₃层隔绝水分子与高活性载体直接接触；2. 结构调控：稀土保护层阻止Pt物种的迁移和聚集；3. 位点锁定：选择性覆盖非必要表面位点，保留关键催化活性界面。
这种“精准防护”理念带来惊人效果：在240°C反应条件下，新型Pt/La-Mo₂N催化剂的衰减速率较传统催化剂降低两个数量级，持续运行42天后仍保持98%以上初始活性。其1500万的催化转化数更是刷新该领域世界纪录，相当于单个Pt原子在运行周期内可以制备超过1500万个氢气分子，为长期稳定制氢提供技术保障。
图1. Pt/La-Mo2N催化剂的结构及产氢催化性能
更令人振奋的是，该策略展现出强大的拓展性。研究证实钇（Y）、镨（Pr）、钬（Ho）等稀土元素，甚至锶（Sr）等非稀土元素均可构建类似防护层。这种“元素工具箱”特性为定制化催化剂开发提供了无限可能。为未来兼具“高活性、高选择性和高稳定性”的高性能界面催化剂的设计提供了全新思路。
“这项突破相当于找到了界面催化剂稳定性的通用密码。”共同通讯作者周武指出。
据国际氢能委员会预测，到2050年氢能将承担全球18%的终端能源需求。然而当前全球96%的氢产量仍依赖化石燃料，每吨氢气伴随10~12吨CO₂排放。该技术突破不仅使生物甲醇等绿色氢源的大规模应用成为可能，其防护策略还可延伸至氨分解、燃料电池、可持续化学工业等关键领域，为全球能源转型提供可能方案。
该论文通讯作者是马丁和周武。北京大学博士后高子睿、中国科学院大学已毕业博士生李傲雯、北京大学访问学者刘兴武、北京大学特聘副研究员彭觅以及博士研究生于士翔为该论文的共同第一作者。该研究工作获得了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京分子科学国家研究中心、新基石研究员项目、北京高校卓越青年科学家计划项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、中国科学院大学电子显微学实验室等资助和支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08483-w
本文链接：http://knowith.com/news-3-1814.html化学学院马丁课题组与合作者创制超长寿命制氢催化剂
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