新型催化劑點亮氫能儲放未來

近日，中科院煤化所與國內(nèi)多家科研機構合作，采用鉑－碳化鉬雙功能催化劑實現(xiàn)對水和甲醇的高效活化，在低溫下獲得了極高的產(chǎn)氫效率。此催化體系有望作為下一代高效儲放氫新體系得到應用。

氫能是一種公認的高熱值清潔能源，高位發(fā)熱值是汽油發(fā)熱值的3倍，也被稱為“能源貨幣”。氫燃料電池是當前最具潛力的新一代氫能利用系統(tǒng)，被認為是未來汽車以及其他便攜設備重要的候選動力系統(tǒng)。然而，氫氣存儲和輸運技術一直沒有關鍵的突破，這也成了氫能源大規(guī)模應用的瓶頸。

中國科學院山西煤化所煤轉化國家重點實驗室研究員溫曉東指出，從技術上來說，直接儲氫是最簡便的解決方案，但由于氫氣易燃易爆，化學性質(zhì)活潑，容易泄漏，該方法的安全性并不容樂觀。另外，高壓加氫站建設所需的高成本以及安全隱患也限制著直接儲氫燃料電池汽車的發(fā)展。

因此，將氫氣以化學能的形式儲存于穩(wěn)定的液體燃料中，通過催化反應原位釋放氫氣供應燃料電池使用，被認為是一種行之有效的間接儲氫途徑。甲醇具有單位體積儲氫量高、活化溫度低、副產(chǎn)物少以及價廉易得等諸多優(yōu)點，是理想的液體儲氫平臺分子。

溫曉東課題組發(fā)現(xiàn)，金屬鉑與碳化鉬基底之間存在著非常強的相互作用，使得鉑以原子級分散在碳化鉬納米顆粒表面，構筑出高密度的原子尺度催化活性中心。單分散鉑主要負責甲醇的解離過程，而碳化鉬主要負責水的解離過程，重要的是這兩個催化過程的反應速率相近，進而形成了高效的雙功能催化體系。

這個體系使得整個催化劑在甲醇和水液相反應中表現(xiàn)出超高的產(chǎn)氫活性，在150攝氏度就能以2276 molH2／（molPt＊h）的反應速率釋放氫氣，進一步提高溫度至190攝氏度，可較傳統(tǒng)鉑基催化劑活性提升近兩個數(shù)量級。同時，原子級分散的特點能最大限度地提高貴金屬鉑的利用率，以產(chǎn)氫活性估計，僅需含有6克鉑的該催化劑即可使產(chǎn)氫速率達到1 kgH2／h，即達到基本滿足商用車載燃料電池組的需求。

溫曉東課題組與北京大學、中國科學院大學、大連理工大學課題組合作，針對甲醇和水液相制氫反應的特點，從實驗設計出發(fā)，結合理論計算開發(fā)出新型原子級分散的鉑—碳化鉬雙功能催化劑，實現(xiàn)了在低溫下（150—190攝氏度）高效的產(chǎn)氫效率。此外，研究團隊還在水煤氣變換產(chǎn)氫過程（CO＋H2O＝CO2＋H2）中突破了低溫條件下高反應轉化率與高反應速率不能兼得的難題，發(fā)展出新一代催化過程。該研究成果已發(fā)表在國際著名學術期刊《自然》上，并入選2017年中國科學十大進展。

溫曉東表示：“我們的研究工作為含碳資源高效清潔轉化利用提供了新的方向，實現(xiàn)了從含碳資源到無碳能源的高效溫和轉化，為氫能制備、存儲及安全利用提供了新的思路，希望能在下一代高效儲放氫新體系得到應用?！保萍既請?記者 王海濱 通訊員 沈 佳）