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我國(guó)科學(xué)家成功創(chuàng)制超長(zhǎng)壽命制氫催化劑
  發(fā)布日期:2025-02-18

北京大學(xué)發(fā)布消息,《自然》雜志2月12日刊發(fā)了一項(xiàng)顛覆性催化技術(shù)突破:北京大學(xué)馬丁教授課題組與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周武教授課題組合作,開(kāi)發(fā)出全球首例兼具超高活性與超長(zhǎng)穩(wěn)定性的甲醇-水重整制氫催化劑。該研究通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的稀土氧化物“納米防護(hù)盾”技術(shù),將鉑基催化劑的持續(xù)工作時(shí)間提升至1000小時(shí)以上,催化轉(zhuǎn)化數(shù)突破1500萬(wàn)次大關(guān)。

在甲醇-水重整產(chǎn)氫反應(yīng)體系中,傳統(tǒng)鉑/立方相碳化鉬催化劑(Pt/α-MoC)雖在低溫條件下展現(xiàn)卓越制氫效率和超高催化活性,但活性載體遇水氧化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化的問(wèn)題始終無(wú)解——這直接造成現(xiàn)有催化劑平均壽命不足200小時(shí)。研究團(tuán)隊(duì)聚焦困擾催化領(lǐng)域多年的“活性-穩(wěn)定性權(quán)衡”難題,針對(duì)Pt/α-MoC體系存在的致命缺陷展開(kāi)攻關(guān)。

研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)催化劑活性位點(diǎn)的分子級(jí)精準(zhǔn)防護(hù),創(chuàng)造性地在Pt/γ-Mo?N催化劑表面構(gòu)筑鑭系氧化物納米覆蓋層,形成三重防護(hù)機(jī)制:物理屏障,薄至單原子厚的惰性L(fǎng)a?O?層隔絕水分子與高活性載體直接接觸;結(jié)構(gòu)調(diào)控:稀土保護(hù)層阻止Pt物種的遷移和聚集;位點(diǎn)鎖定:選擇性覆蓋非必要表面位點(diǎn),保留關(guān)鍵催化活性界面。

這種“精準(zhǔn)防護(hù)”理念帶來(lái)驚人效果:在240°C反應(yīng)條件下,新型Pt/La-Mo?N催化劑的衰減速率較傳統(tǒng)催化劑降低兩個(gè)數(shù)量級(jí),持續(xù)運(yùn)行42天后仍保持98%以上初始活性;1500萬(wàn)的催化轉(zhuǎn)化數(shù)更是刷新該領(lǐng)域世界紀(jì)錄,相當(dāng)于單個(gè)Pt原子在運(yùn)行周期內(nèi)可以制備超過(guò)1500萬(wàn)個(gè)氫氣分子,為長(zhǎng)期穩(wěn)定制氫提供技術(shù)保障。

此外,該研究展現(xiàn)出強(qiáng)大的拓展性,證實(shí)釔(Y)、鐠(Pr)、鈥(Ho)等稀土元素,甚至鍶(Sr)等非稀土元素均可構(gòu)建類(lèi)似防護(hù)層。這種“元素工具箱”特性為定制化催化劑開(kāi)發(fā)提供了無(wú)限可能。為未來(lái)兼具“高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性”的高性能界面催化劑的設(shè)計(jì)提供了全新思路。

該技術(shù)突破不僅使生物甲醇等綠色氫源的大規(guī)模應(yīng)用成為可能,其防護(hù)策略還可延伸至氨分解、燃料電池、可持續(xù)化學(xué)工業(yè)等關(guān)鍵領(lǐng)域,為全球能源轉(zhuǎn)型提供可能方案。

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