【儀表網 研發(fā)快訊】 甲醇蒸汽重整(MSR)作為一種經濟高效的原位制氫技術，與質子交換膜燃料電池(PEMFCs)的耦合，可推動氫能系統去中心化、小型化和便攜化發(fā)展，在交通領域潛力巨大。然而，傳統催化劑穩(wěn)定性有限、CO選擇性高，導致使用壽命短且易造成后端PEMFCs中電極中毒。
針對上述問題，中國科學院上海高等研究院(以下簡稱“上海高研院”)綠色碳科學團隊基于前期CO2轉化過程中納米顆粒催化劑的微觀機構和局部電子性質精準調控的基礎上(J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 6037； ACS Catal. 2023, 13, 5, 3055； ACS Catal. 2024, 14, 3, 1324； Chinese J Catal., 2025, 71, 146, 157; Appl. Catal. B Environ., 2022, 316, 121669； Chem. Eng. J., 2023, 473, 145458)，成功創(chuàng)制了相界面受限的單原子催化劑，形成的Cd-O-Ti相界面位點具有獨特性質，展現出優(yōu)異的甲醇蒸汽重整性能。該研究成果近期以“Phase-interface-anchored cadmium single-atom catalysts for efficient methanol steam reforming”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
研究發(fā)現，與其他金屬相比，由于Cd與P25相界面具有能量適配性，Cd原子可穩(wěn)定錨定于P25的銳鈦礦(101)-金紅石(110)相界面缺陷處，形成具有不對稱幾何與電子特性的Cd-O-Ti相界面位點。這一獨特結構增強了電子轉移及反應物的吸附活化能力，使得其氫氣產率分別是銳鈦礦和金紅石表面單原子位點的15倍與8倍，同時實現了100%甲醇轉化率、超低CO濃度(~0.1 mol%)及超150小時的穩(wěn)定性(圖1)。通過H?預處理后，相界面密度最高可達10.1 m² g?¹，氫氣產率進一步提升至292.9 mmol?g?¹?h?¹。結合原位紅外、動力學同位素效應及理論計算等表征手段，證實反應遵循甲酸鹽分解路徑，相界面位點顯著降低了甲酸鹽形成及H?O吸附解離的能壘，同時抑制CO生成，從而解釋了其優(yōu)異性能的成因。此外，該粉末催化劑可通過3D打印制成千克級多孔整體式催化劑，進一步優(yōu)化反應過程中的傳質與傳熱效率，使CO濃度降至0.07 mol %(圖2)。
圖1 催化劑的結構及性能
圖2 3D打印及CFD模擬
此項工作闡明了相界面單原子的形成機制，實現了相界面密度的可控調節(jié)，揭示了界面位點的反應機理并建立了清晰的構效關系，為新型單原子催化劑的設計及實用化MSR催化劑的開發(fā)提供了重要思路。
該論文的第一作者為張書南，通訊作者為王慧研究員，X-射線吸收表征通在BL11B線站開展in-house研究完成。該研究得到國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。
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