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(gòu)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(yīng)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(shè)備重要的候選動力系統(tǒng)。然而，氫氣存儲和輸運技術(shù)一直沒有關(guān)鍵的突破，這也成了氫能源大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

中國科學院山西煤化所煤轉(zhuǎn)化國家重點實驗室研究員溫曉東指出，從技術(shù)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(shè)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(yīng)原位釋放氫氣供應(yīng)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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的特點，從實驗設(shè)計出發(fā)，結(jié)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(yīng)轉(zhuǎn)化率與高反應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用。”