近年來，生物乙醇因可再生性、高含氫量及良好的儲運安全性，成為備受關注的綠色制氫原料。而傳統(tǒng)的乙醇-水重整制氫技術存在兩大難題。一是該過程通常需在400℃至600℃的高溫條件下進行，能耗高且難以避免乙醇分子C-C鍵斷裂導致的CO2排放；二是現(xiàn)有催化劑易受到積碳和燒結失活的影響，限制其工業(yè)化應用，難以兼顧催化效率和長期穩(wěn)定性。

　　中國科學院大學教授周武課題組聯(lián)合北京大學教授馬丁課題組、北京大學研究員周繼寒課題組、英國卡迪夫大學教授Graham J. Hutchings，基于周武課題組與馬丁課題組在金屬-碳化鉬（M/α-MoC）催化劑體系近十年的合作研究成果，開創(chuàng)性地提出了金屬-碳化鉬體系“選擇性部分重整”制氫新技術。這一技術通過原子級精準設計、調(diào)控鉑/銥（Pt/Ir）雙金屬-α-MoC界面，將乙醇-水重整反應從傳統(tǒng)的完全重整（氧化）路徑轉(zhuǎn)變?yōu)檫x擇性部分重整路徑（C2H5OH + H2O → 2H2 + CH3COOH），在270℃溫和條件下實現(xiàn)高通量氫氣制備，同時聯(lián)產(chǎn)高值化學品（乙酸）。

　　這一過程從反應源頭消除了CO2直接排放，并將反應物中的碳資源高選擇性地轉(zhuǎn)化為液態(tài)化學品。該成果為氫能產(chǎn)業(yè)的碳中和轉(zhuǎn)型提供了新范式，并為生物質(zhì)資源“氫氣-化學品聯(lián)產(chǎn)”的循環(huán)經(jīng)濟模式奠定了重要基礎。2月14日，相關研究成果以Thermal catalytic reforming for hydrogen production with zero CO2 emission為題，發(fā)表在《科學》（Science）上。

　　新型鉑-銥雙金屬催化劑（PtIr/α-MoC）的核心創(chuàng)新在于原子尺度的界面工程設計。單原子分辨的低壓掃描透射電鏡（STEM）電子能量損失譜（EELS）成像分析表明，在3wt%負載的3Pt/α-MoC催化劑中，Pt物種主要以單原子和團簇的形式存在于MoC表面，其中Pt團簇的尺寸約為1nm。而在催化劑中引入相近載量的Ir物種后，3Pt3Ir/α-MoC催化劑中Pt物種的分散性得到顯著提升，同時Ir主要以高分散的單原子形式存在。這些發(fā)現(xiàn)源于原子級分散的Pt和Ir物種與α-MoC載體之間不同程度的強相互作用。其中，Ir優(yōu)先在載體表面落位，促進Pt的分散并約束Pt顆粒的生成，進而構建高密度的界面催化活性位點，避免貴金屬顆粒的形成，抑制催化過程中C-C鍵的斷裂。這一設計確保催化劑能夠在溫和條件下高效活化乙醇-水體系并保持長期穩(wěn)定性。

　　催化性能評價顯示，該催化劑在270°C條件下，氫氣產(chǎn)率達331.3毫摩爾每克催化劑每小時，乙酸選擇性達84.5%，且在長達100小時的穩(wěn)定性測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗失活能力。相比于傳統(tǒng)乙醇-水重整反應，這一新技術能耗更低、更加環(huán)保，并提供了綠色制備乙酸的新路徑。

　　在該研究中，周武課題組首次利用單原子分辨的低壓STEM-EELS成像技術，實現(xiàn)了對催化劑上周期表中相鄰貴金屬物種的原子級化學成像，揭示了載體上單原子Ir物種對Pt物種分散度的促進作用。與常規(guī)STEM-HAADF原子序數(shù)襯度分析相比，這一技術在多元素混合的復雜體系中展現(xiàn)出優(yōu)勢，能夠更精準地解析雙金屬催化劑體系，甚至更復雜的催化劑體系中負載金屬之間以及負載金屬-載體之間的強相互作用。該技術為探討催化劑活性提升機制提供了直接的結構證據(jù)，對高效催化劑體系的設計和優(yōu)化具有重要意義。

　　研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃等的支持。

PtIr/α-MoC催化劑的結構分析

PtIr/α-MoC催化劑的催化性能