——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
甲醇蒸汽重整（MSR）作為一種經(jīng)濟(jì)高效的原位制氫技術(shù)，與質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）的耦合，可推動氫能系統(tǒng)去中心化、小型化和便攜化發(fā)展，在交通領(lǐng)域潛力巨大。然而，傳統(tǒng)催化劑穩(wěn)定性有限、CO選擇性高，導(dǎo)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(xué)院上海高等研究院（以下簡稱“上海高研院”）綠色碳科學(xué)團(tuán)隊(duì)基于前期CO2轉(zhuǎn)化過程中納米顆粒催化劑的微觀機(jī)構(gòu)和局部電子性質(zhì)精準(zhǔn)調(diào)控的基礎(chǔ)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(diǎn)具有獨(dú)特性質(zhì)，展現(xiàn)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(xiàn)，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(diǎn)。這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了電子轉(zhuǎn)移及反應(yīng)物的吸附活化能力，使得其氫氣產(chǎn)率分別是銳鈦礦和金紅石表面單原子位點(diǎn)的15倍與8倍，同時實(shí)現(xiàn)了100%甲醇轉(zhuǎn)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(yù)處理后，相界面密度最高可達(dá)10.1 m2 g?1，氫氣產(chǎn)率進(jìn)一步提升至292.9 mmol?g?1?h?1。結(jié)合原位紅外、動力學(xué)同位素效應(yīng)及理論計(jì)算等表征手段，證實(shí)反應(yīng)遵循甲酸鹽分解路徑，相界面位點(diǎn)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(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)過程中的傳質(zhì)與傳熱效率，使CO濃度降至0.07 mol %（圖2）。
圖1 催化劑的結(jié)構(gòu)及性能
圖2 3D打印及CFD模擬
此項(xiàng)工作闡明了相界面單原子的形成機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了相界面密度的可控調(diào)節(jié)，揭示了界面位點(diǎn)的反應(yīng)機(jī)理并建立了清晰的構(gòu)效關(guān)系，為新型單原子催化劑的設(shè)計(jì)及實(shí)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(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-63060-7
