新型催化劑點(diǎn)亮氫能儲放未來(lái)

近日，中科院煤化所與國內多家科研機構合作，采用鉑-碳化鉬雙功能催化劑實(shí)現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(chēng)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，被認為是未來(lái)汽車(chē)以及其他便攜設備重要的候選動(dòng)力系統。然而，氫氣存儲和輸運技術(shù)一直沒(méi)有關(guān)鍵的突破，這也成了氫能源大規模應用的瓶頸。

中國科學(xué)院山西煤化所煤轉化國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員溫曉東指出，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，直接儲氫是最簡(jiǎn)便的解決方案，但由于氫氣易燃易爆，化學(xué)性質(zhì)活潑，容易泄漏，該方法的安全性并不容樂(lè )觀(guān)。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(zhù)直接儲氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。

因此，將氫氣以化學(xué)能的形式儲存于穩定的液體燃料中，通過(guò)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(jià)廉易得等諸多優(yōu)點(diǎn)，是理想的液體儲氫平臺分子。

溫曉東課題組發(fā)現，金屬鉑與碳化鉬基底之間存在著(zhù)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(guò)程，而碳化鉬主要負責水的解離過(guò)程，重要的是這兩個(gè)催化過(guò)程的反應速率相近，進(jìn)而形成了高效的雙功能催化體系。

這個(gè)體系使得整個(gè)催化劑在甲醇和水液相反應中表現出超高的產(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(jìn)一步提高溫度至190攝氏度，可較傳統鉑基催化劑活性提升近兩個(gè)數量級。同時(shí)，原子級分散的特點(diǎn)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(mǎn)足商用車(chē)載燃料電池組的需求。

溫曉東課題組與北京大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、大連理工大學(xué)課題組合作，針對甲醇和水液相制氫反應的特點(diǎn)，從實(shí)驗設計出發(fā)，結合理論計算開(kāi)發(fā)出新型原子級分散的鉑—碳化鉬雙功能催化劑，實(shí)現了在低溫下(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(guò)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(guò)程。該研究成果已發(fā)表在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《自然》上，并入選2017年中國科學(xué)十大進(jìn)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(shí)現了從含碳資源到無(wú)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。”