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(guān)注的綠色制氫原料。中國科學(xué)院大學(xué)周武課題組聯(lián)合北京大學(xué)馬丁課題組、英國卡迪夫大學(xué)等機構(gòu)，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(shù)。相關(guān)成果已于 2025 年 2 月 14 日發(fā)表在《科學(xué)》上。

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??▲ PtIr/α-MoC 催化劑的結(jié)構(gòu)分析
? 據(jù)介紹，這一技術(shù)通過原子級精準(zhǔn)設(shè)計、調(diào)控鉑 / 銥（Pt / Ir）雙金屬-α-MoC 界面，將乙醇-水重整反應(yīng)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）。
? 該技術(shù)可在 270℃溫和條件下實現(xiàn)零碳排放的高效氫氣制備，同時聯(lián)產(chǎn)高值化學(xué)品乙酸，為氫能產(chǎn)業(yè)的碳中和轉(zhuǎn)型提供了全新范式。

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? ▲ PtIr/α-MoC 催化劑的催化性能
傳統(tǒng)乙醇-水重整制氫技術(shù)需在 400~600℃高溫下進行，能耗高且難以避免乙醇分子 C-C 鍵斷裂導(dǎo)致的 CO?排放。此外，催化劑易積碳和燒結(jié)失活，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。
? 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(shè)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(fù)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(gòu)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(shè)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(dá) 331.3 毫摩爾每克催化劑每小時，乙酸選擇性達(dá) 84.5%，且在長達(dá) 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(yīng)，這一新技術(shù)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(shù)，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(xué)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(shù)在多元素混合的復(fù)雜體系中展現(xiàn)出優(yōu)勢，能夠更精準(zhǔn)地解析雙金屬催化劑體系，甚至更復(fù)雜的催化劑體系中負(fù)載金屬之間以及負(fù)載金屬-載體之間的強相互作用。該技術(shù)為探討催化劑活性提升機制提供了直接的結(jié)構(gòu)證據(jù)，對高效催化劑體系的設(shè)計和優(yōu)化具有重要意義。

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